MITOCHONDRIJŲ DNR: YPATYBĖS, FUNKCIJOS, PAVELDIMUMAS, LIGOS - BIOLOGIJA - 2025

Mitochondrijų DNR yra mažas apskrito DNR molekulė, kuri yra viduje šių organoidus į eukariotinių ląstelių. Šis mažas genomas koduoja labai ribotą kiekį baltymų ir aminorūgščių mitochondrijose. Įprasta rasti pavadinimą „mitochondrinė DNR“, sutrumpintą daugelyje vadovėlių ir mokslinių straipsnių kaip „mtDNA“ arba angliškai „mtDNA“.

Mitochondrijos yra pagrindinės eukariotų ląstelių organelės, nes jos yra atsakingos už cukraus, vartojamo su maistu, energijos pavertimą energijos forma, kurią ląstelės gali naudoti (pavyzdžiui, ATP).

Mitochondrijų DNR (šaltinis? Nacionalinis žmogaus genomo tyrimų institutas, per „Wikimedia Commons“)

Visos eukariotinių organizmų ląstelės turi bent vieną mitochondriją. Tačiau yra ląstelių, tokių kaip širdies raumens ir griaučių raumenų ląstelės, kurių viduje gali būti šimtai mitochondrijų.

Mitochondrijos turi savo baltymų sintezės aparatą, nepriklausomą nuo ląstelių aparato, su ribosomomis, pernešančiomis RNR ir aminoacil RNR transferazės-sintetaze iš organelės vidaus; nors ribosominė RNR yra mažesnė nei ląstelėje, kurioje juos laikoma.

Toks aparatas rodo didelį panašumą į bakterijų baltymų sintezės aparatą. Be to, kaip ir prokariotuose, šis aparatas yra ypač jautrus antibiotikams, tačiau labai skiriasi nuo baltymų sintezės eukariotų ląstelėse.

Terminą „mitochondrijos“ Benda įvedė XII amžiaus pabaigoje, o apie jo kilmę plačiausiai priimta „endosimbiozės“ teorija. Tai 1967 m. Paskelbė Linas Margulis „Theoretical Biology Journal“.

„Endosimbiozės“ teorija nurodo mitochondrijų kilmę prieš milijonus metų. Teorizuojama, kad eukariotų ląstelių protėvis „pasisavino“ ir į savo metabolizmą įtraukė į bakterijas panašų organizmą, kuris vėliau tapo tuo, ką mes dabar žinome kaip mitochondrijas.

charakteristikos

Žinduoliuose paprastai visas genomas, kurį sudaro mitochondrijų DNR, yra organizuotas žiedine chromosoma, sudaryta iš 15 000–16 000 porų nukleotidų arba, kas yra tas pats, nuo 15 iki 16 Kb (kilobazių).

Daugelyje mitochondrijų galite gauti kelias mitochondrijų chromosomos kopijas. Žmogaus somatinėse ląstelėse (ne lytinėse ląstelėse) įprasta rasti mažiausiai 100 mitochondrijų chromosomos kopijų.

Aukštesniuose augaluose (angiosperms) mitochondrijų DNR paprastai yra daug didesnė, pavyzdžiui, kukurūzų augale apskrito mitochondrijų DNR chromosoma gali matuoti iki 570 Kb.

Mitochondrijų DNR užima apie 1% visos daugumos stuburinių gyvūnų somatinių ląstelių DNR. Tai yra labai konservuota DNR gyvūnų karalystėje, priešingai nei stebima augaluose, kur yra labai įvairi.

Kai kuriose „milžiniškose“ eukariotinėse ląstelėse, tokiose kaip žinduolių kiaušialąstės (moteriškos lyties ląstelės), arba ląstelėse, kuriose yra daug mitochondrijų, mitochondrijų DNR gali sudaryti iki 1/3 visos ląstelės DNR.

Mitochondrijų DNR savybės skiriasi nuo branduolinės DNR: jos skirtingas tankis ir guanino-citozino (GC) ir adenino-timino (AT) bazių porų santykis.

GC bazinės poros tankis mitochondrinėse DNR yra 1,68 g / cm3, o kiekis - 21%; tuo tarpu branduolinėje DNR šis tankis yra 1,68 g / cm3, o jo kiekis yra apie 40%.

funkcijos

Mitochondrijų DNR turi mažiausiai 37 genus, kurie yra būtini normaliai mitochondrijų funkcijai. Iš tų 37, 13 turi informacijos apie fermentų, dalyvaujančių oksidaciniame fosforilinime, gamybą.

Šie 13 genų koduoja 13 fermento kompleksų polipeptidinių komponentų, kurie priklauso elektronų pernešimo grandinei ir yra vidinėje mitochondrijų membranoje.

Nepaisant 13 polipeptidų, kurie mitochondrijų DNR prisideda prie elektronų pernešimo grandinės, ją sudaro daugiau nei 100 skirtingų polipeptidų. Tačiau šie 13 komponentų yra būtini oksidaciniam fosforilinimui ir elektronų pernešimo grandinei.

Mitochondrijų DNR schema (Šaltinis: Mikibc ~ commonswiki, per Wikimedia Commons)

Tarp 13 polipeptidų, sintetinamų iš mitochondrijų DNR, išsiskiria citochromo C oksidazės komplekso I, II ir III subvienetai ir ATPazės pompų VI subvienetai, įterpti į organelės vidinę membraną.

Informacija, reikalinga likusių komponentų, sudarančių mitochondrijas, sintezei, yra užkoduota branduolinių genų. Jie yra sintetinami citoplazmoje, kaip ir kiti ląsteliniai baltymai, ir dėl specifinių signalų importuojami į mitochondrijas.

Oksidacinio fosforilinimo metu deguonies ir cukraus atomai, tokie kaip gliukozė, naudojami adenozino trifosfato (ATP), kuris yra cheminės rūšys, naudojamos visoms ląstelėms kaip energijos šaltinis, sintezei ar susidarymui.

Likusiuose mitochondrijų genuose yra nurodytos perdavimo RNR (tRNR), ribosomų RNR ir fermento aminoacil-RNR transferazės-sintetazės (tRNR) sintezės instrukcijos, reikalingos baltymų sintezei mitochondrijose.

Paveldas

Dar palyginti neseniai buvo manoma, kad mitochondrijų DNR yra perduodama išimtinai per motinos paveldėjimą, tai yra, tiesiogiai kilus iš motinos.

Tačiau Shiyu Luo ir kolegų žurnale Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2019 m. Sausio mėn. Paskelbtame straipsnyje nustatyta, kad retais atvejais mitochondrijų DNR gali būti paveldimos iš abiejų tėvų, abiejų tėvo kaip motinos.

Prieš paskelbiant šį straipsnį, mokslininkams buvo faktas, kad Y chromosomos ir mitochondrijų DNR buvo paveldėtos nepažeistos atitinkamai iš tėvo ir motinos palikuonims.

„Nepažeistas“ mitochondrijų Y chromosomos genų paveldimumas reiškia, kad minėta genetinė medžiaga rekombinacijos metu nepakinta ir metams bėgant keičiasi tik dėl spontaninių mutacijų, taigi variacija yra gana maža .

Dėl šios priežasties dauguma gyventojų mobilizacijos tyrimų yra daromi remiantis šiais genais, nes, pavyzdžiui, genetikams nesunku sukonstruoti šeimos medžius, naudojant mitochondrijų DNR.

Didžioji žmonijos istorijos dalis buvo rekonstruota per genetinę mitochondrijų DNR istoriją. Daugelis verslo namų netgi siūlo išsiaiškinti kiekvieno gyvo žmogaus ryšį su savo protėviais, naudodamiesi metodais, kurie tiria šias savybes.

Replikacija

Pirmąjį mitochondrijų DNR replikacijos modelį 1972 m. Pasiūlė Vinogradas ir bendradarbiai. Šis modelis vis dar galioja su tam tikrais pakeitimais. Apskritai, modelis yra pagrįstas vienpusiu replikacija, kuri prasideda dviem skirtingais replikacijos šaltiniais.

Mokslininkai klasifikuoja mitochondrijų chromosomą į dvi skirtingas grandines: sunkiąją grandinę, H arba OH, iš angliškos „sunkiosios“ ir lengvosios, L arba OL, iš angliškos „lengvos“. Jie identifikuojami ir yra dviejuose nepriskirtuose atviruose skaitymo rėmuose (URF) mitochondrijų chromosomoje.

Mitochondrijų genomo replikacija prasideda sunkiojoje grandinėje (OH) ir tęsiasi viena kryptimi, kol pagaminamas visas lengvosios grandinės (OL) ilgis. Vėliau, siekiant apsaugoti grandinę, kuri veikia kaip „pirminis“ arba „šablonas“, baltymai, vadinami „mitochondriniais viengrandiais DNR surišančiais baltymais“, yra prijungiami.

Fermentai, atsakingi už atsiskyrimą dėl replikacijos (replikacosomos), pereina į šviesos juostą (OL) ir susidaro kilpos struktūra, kuri blokuoja mitochondrijų viengrandžius DNR surišančius baltymus.

Šioje kilpoje jungiasi mitochondrijų RNR polimerazė ir prasideda naujo pradmens sintezė. Perėjimas prie sunkiosios grandinės (OH) sintezės įvyksta 25 nukleotidų vėliau.

Tiesiai perėjimo prie sunkiosios grandinės (OH) metu mitochondrijų RNR polimerazė pakeičiama mitochondrijų replikuojamąja DNR polimeraze 3 ’gale, kur iš pradžių prasidėjo replikacija.

Galiausiai abiejų grandinių, tiek sunkiųjų (OH), tiek lengvųjų (OL), sintezė vyksta nenutrūkstamai, kol susidaro dvi pilnos žiedinės dvigubos (dvigubos grandinės) DNR molekulės.

Susijusios ligos

Yra daugybė ligų, susijusių su mitochondrijų DNR veikimo sutrikimais. Daugiausia jų sukelia mutacijos, pažeidžiančios seką ar informaciją, esančią genome.

Klausos praradimas, atsižvelgiant į didėjantį amžių

Viena iš geriausiai ištirtų ligų, tiesiogiai susijusių su mitochondrijų DNR genomo pokyčiais, yra klausos praradimas dėl didėjančio amžiaus.

Ši sąlyga yra genetinių, aplinkos ir gyvenimo būdo veiksnių rezultatas. Žmonėms senstant, mitochondrijų DNR kaupia kenksmingas mutacijas, tokias kaip delecijos, translokacijos, inversijos ir kita.

Mitochondrijų DNR žalą daugiausia sukelia reaktyviųjų deguonies rūšių kaupimasis, tai yra energijos gamybos šalutiniai produktai mitochondrijose.

Mitochondrijų DNR yra ypač pažeidžiama pažeidimų, nes neturi taisymo sistemos. Todėl pokyčiai, kuriuos sukelia reaktyviosios deguonies rūšys, pažeidžia mitochondrijų DNR ir sukelia organelių veiklos sutrikimus, sukeliančius ląstelių mirtį.

Vidinės ausies ląstelės turi didelę energijos paklausą. Šis reikalavimas daro juos ypač jautrius mitochondrijų DNR pažeidimams. Šie pažeidimai gali negrįžtamai pakeisti vidinės ausies funkciją ir sukelti visišką klausos praradimą.

Vėžys

Mitochondrijų DNR yra ypač jautri somatinėms mutacijoms, mutacijoms, kurios nėra paveldimos iš tėvų. Tokio tipo mutacijos įvyksta kai kurių ląstelių DNR per visą žmogaus gyvenimą.

Yra duomenų, kad mitochondrijų DNR pakitimai, atsirandantys dėl somatinių mutacijų, siejami su tam tikros rūšies vėžiu, navikais pieno liaukose, dvitaškyje, skrandyje, kepenyse ir inkstuose.

Mitochondrijų DNR mutacijos taip pat buvo susijusios su kraujo vėžiu, pavyzdžiui, leukemija, ir limfomomis (imuninės sistemos ląstelių vėžiu).

Specialistai susieja somatines mitochondrijų DNR mutacijas su padidėjusia reaktyviųjų deguonies rūšių gamyba, faktoriais, kurie padidina mitochondrijų DNR pažeidimus ir sukuria ląstelių augimo kontrolės trūkumą.

Nedaug žinoma apie tai, kaip šios mutacijos padidina nekontroliuojamą ląstelių dalijimąsi ląstelėse ir kaip jos vėliau vystosi kaip vėžiniai navikai.

Ciklinio vėmimo sindromas

Manoma, kad kai kurie cikliško vėmimo atvejai, būdingi vaikystėje, yra susiję su mitochondrijų DNR mutacijomis. Šios mutacijos sukelia pasikartojančius pykinimo, vėmimo ir nuovargio ar letargo epizodus.

Mokslininkai šiuos vėmimo epizodus sieja su tuo, kad mitochondrijos su pažeista mitochondrijų DNR gali paveikti tam tikras autonominės nervų sistemos ląsteles ir paveikti tokias funkcijas kaip širdies ritmas, kraujospūdis ir virškinimas.

Nepaisant šių asociacijų, dar nėra aišku, kaip mitochondrijų DNR pokyčiai sukelia pasikartojančius ciklinio vėmimo sindromo epizodus.

Nuorodos

1. Clayton, D. (2003). Mitochondrijų DNR replikacija: ką mes žinome. IUBMB gyvenimas, 55 (4–5), 213–217.
2. Falkenberg, M. (2018). Mitochondrijų DNR replikacija žinduolių ląstelėse: kelio apžvalga. Esė biochemijoje, 62 (3), 287–296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM ir Wallace, DC (1980). Motinos paveldimas žmogaus mitochondrijų DNR. Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 77 (11), 6715–6719
4. Luo, S., Valensija, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Atsakymas Lutz-Bonengel ir kt.: Biparentinis mtDNR perdavimas greičiausiai nebus branduolinių mitochondrijų DNR segmentų rezultatas. Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 116 (6), 1823–1824.
5. McWilliams, TG ir Suomalainen, A. (2019). Tėvo mitochondrijų likimas. „Nature“, 565 (7739), 296–297.
6. Nacionalinė medicinos biblioteka. Namai apie genetiką: jūsų vadovas, kaip suprasti genetines sąlygas.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Mitochondrijų DNR palaikymas stuburiniuose. Metinė biochemijos apžvalga, 66 (1), 409–435.
8. Simmonsas, MJ, & Snustad, DP (2006). Genetikos principai. Johnas Wiley ir sūnūs.