Mitokondriális DNS

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. július 16-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

A mitokondriális DNS ( mtDNS ) olyan DNS , amely (a nukleáris DNS-től eltérően ) a mitokondriumokban , az eukarióta sejtek organellumáiban található.

A mitokondriális DNS-ben kódolt gének a sejtmagon kívül (a kromoszómán kívül) található plazmogének csoportjába tartoznak . Ezen öröklődési tényezők összessége, a sejt citoplazmájában koncentrálva, egy adott típusú organizmus plazmonját alkotja (a genommal szemben) [1] .

Felfedezési előzmények

A mitokondriális DNS-t Margit Nass és Sylvain Nass fedezte fel 1963- ban a Stockholmi Egyetemen elektronmikroszkóppal [2] és egymástól függetlenül Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi és Gottfried Schatz tudósok élesztő mitokondriális frakcióinak biokémiai elemzése során a Bécsi Egyetemen 1964- ben . . [3]

A mitokondriális DNS eredetének elméletei

Az endoszimbiotikus elmélet szerint a mitokondriális DNS baktériumok körkörös DNS-molekuláiból származik, ezért más eredetű, mint a nukleáris genom . Most az a nézőpont érvényesül, miszerint a mitokondriumok monofiletikus eredetűek, vagyis csak egyszer szerezték be az eukarióták ősei.

A DNS-nukleotid szekvenciák hasonlósága alapján a mitokondriumok legközelebbi rokonai az élő prokarióták között az alfa-proteobaktériumok (különösen azt feltételezték, hogy a rickettsia közel áll a mitokondriumokhoz ). A mitokondriális genomok összehasonlító elemzése azt mutatja, hogy az evolúció során a modern mitokondriumok őseinek génjei fokozatosan beköltöztek a sejtmagba. A mitokondriális DNS egyes jellemzői evolúciós szempontból megmagyarázatlanok maradnak (például meglehetősen nagy számú intron , a tripletek nem szokványos használata és mások). A mitokondriális genom korlátozott mérete miatt a legtöbb mitokondriális fehérje a sejtmagban van kódolva. Ugyanakkor a mitokondriális tRNS-ek többségét a mitokondriális genom kódolja.

A mitokondriális DNS-molekulák alakja és száma

A legtöbb vizsgált organizmusban a mitokondriumok csak cirkuláris DNS-molekulákat tartalmaznak, egyes növényekben cirkuláris és lineáris molekulák is jelen vannak egyidejűleg, és számos protistákban (például csillósokban ) csak lineáris molekulák találhatók. [5]

Az emlős mitokondriumok jellemzően körkörös DNS-molekulák két-tíz azonos másolatát tartalmazzák. [6]

A növényekben minden mitokondrium több különböző méretű DNS-molekulát tartalmaz, amelyek képesek a rekombinációra.

A kinetoplasztid rendbe tartozó protistáknál (például a tripanoszómákban ) a mitokondriumok egy speciális része ( kinetoplaszt ) kétféle DNS-molekulát tartalmaz - azonos maxi-gyűrűket (20-50 darab), körülbelül 21 kb hosszúságúak. és mini-gyűrűk (20 000-55 000 darab, kb. 300 fajta, átlagos hossza kb. 1000 bp). Az összes gyűrű egyetlen hálózatba ( katenánok ) kapcsolódik, amely minden replikációs ciklussal megsemmisül és helyreáll. A maxi-gyűrűk homológok más szervezetek mitokondriális DNS-ével. Minden minigyűrű négy hasonló konzervált régiót és négy egyedi hipervariábilis régiót tartalmaz. [7] A minikörökben rövid vezető RNS molekulák ( guideRNA ) vannak kódolva, amelyek szerkesztik a maxicircles génekből átírt RNS-t.

Mitokondriális DNS stabilitás

A mitokondriális DNS különösen érzékeny a légzési lánc által generált reaktív oxigénfajtákra a közelük miatt. Bár a mitokondriális DNS fehérjékhez kapcsolódik, védő szerepük kevésbé hangsúlyos, mint a nukleáris DNS esetében. A mitokondriális DNS mutációi anyai úton terjedő örökletes betegségeket okozhatnak . Vannak olyan adatok is, amelyek arra utalnak, hogy a mitokondriális DNS-mutációk hozzájárulhatnak az öregedési folyamathoz és az életkorral összefüggő patológiák kialakulásához. [8] Emberben a mitokondriális DNS sejtenként jellemzően 100-10 000 kópiában van jelen ( kivételt képeznek a spermiumok és a petesejt ). A mitokondriális genomok sokfélesége összefügg a mitokondriális betegségek manifesztációinak jellemzőivel  - általában késői megjelenésükkel és nagyon változó tüneteivel.

Mitokondriális öröklődés

Anyai öröklés

A legtöbb többsejtű szervezetben a mitokondriális DNS anyai öröklődésű. A petesejt több nagyságrenddel több mitokondriális DNS másolatot tartalmaz, mint a spermium. Egy spermiumban általában nem több, mint egy tucat mitokondrium (emberben - egy spirálisan csavart mitokondrium), a kis tengeri sünök tojásában - több százezer, és a nagy békapetesejtekben - több tízmillió. Ezenkívül a spermium mitokondriumai általában a megtermékenyítés után lebomlanak [9] .

Az ivaros szaporodás során a mitokondriumok általában kizárólag az anyai vonalon keresztül öröklődnek, a spermiumok mitokondriumai a megtermékenyítés után általában elpusztulnak. Ezenkívül a spermium mitokondriumának nagy része a flagellum tövében található , amely néha elveszik a megtermékenyítés során. 1999 -ben a spermium mitokondriumait ubiquitinnel jelölték (olyan fehérje, amely az apai mitokondriumok pusztulásához vezet a zigótában) [10] .

Mivel a mitokondriális DNS nem erősen konzervált és nagy a mutációs rátája , jó tárgy az élő szervezetek törzsfejlődésének (evolúciós kapcsolatának) tanulmányozására. Ehhez speciális számítógépes programok segítségével meghatározzák és összehasonlítják a mitokondriális DNS szekvenciáját a különböző fajokban, és evolúciós fát készítenek a vizsgált fajokról. A kutyák mitokondriális DNS-ének vizsgálata lehetővé tette a kutyák eredetének nyomon követését a vadon élő farkasoktól [11] . Az emberi populációk mitokondriális DNS-ének tanulmányozása lehetővé tette a „ mitokondriális Éva ”, a jelenleg élő összes ember feltételezett elődjének kiszámítását.

Apai öröklés

Egyes fajok esetében kimutatták a mitokondriális DNS átvitelét a hím vonalon keresztül , például kagylóknál [12] [13] . Apai mitokondriális öröklődést is leírtak néhány rovar esetében, mint például a Drosophila [14] , a mézelő méhek [15] és a kabócák esetében . [16]

Bizonyítékok vannak a mitokondriális hím öröklődésre is emlősökben. Egerekben leírtak ilyen öröklődési eseteket [17] [18] , a hímből származó mitokondriumokat ezt követően kilökték. Ezt a jelenséget birkák [19] és klónozott szarvasmarhák esetében mutatták ki . [húsz]

Apai öröklődés emberekben

Egészen a közelmúltig azt hitték, hogy az emberi mitokondriumok csak az anyai vonalon keresztül öröklődnek. 2002-ben egyetlen olyan betegről volt ismert eset, akiről megbízhatóan kiderült, hogy apai mitokondriális DNS-e van [21] .

Csak egy nemrégiben készült, 2018-as tanulmány mutatta ki, hogy az emberi mitokondriális DNS néha még mindig továbbadható az apai ágon. Kis mennyiségű apai mitokondrium bejuthat az anya petesejtjébe a spermium citoplazmájával együtt, de általában az apai mitokondriumok eltűnnek a zigótából. Kiderült azonban, hogy néhány embernek "egy olyan mutációja van, amely segít az apa mitokondriumainak túlélésében" [22] .

Mitokondriális genom

Emlősökben minden mtDNS-molekula 15000-17000 bázispárt tartalmaz (emberben 16565 bázispár – a vizsgálat 1981-ben fejeződött be [23] , egy másik forrás szerint 16569 bázispár [24] ), és 37 gént tartalmaz - [ 13 kódol fehérjét 25] , 22- tRNS , 2- rRNS (egy gén a 12S és 16S rRNS-hez). Más többsejtű állatok hasonló mitokondriális génkészlettel rendelkeznek, bár egyes gének néha hiányozhatnak. A különböző növényfajok, gombák és különösen a protisták [26] mtDNS génösszetétele jelentősen eltér. Így az ismert mitokondriális genomok közül a legteljesebb a Reclinomonas americana Jacobid flagellate-ban található : 97 gént tartalmaz , köztük 62 fehérjét kódoló gént (27 riboszómális fehérje, 23 fehérje, amely az elektrontranszport lánc működésében és az oxidatív foszforilációban vesz részt , és az RNS polimeráz alegységei is ).

Az egyik legkisebb mitokondriális genomban található a malária plazmódium (körülbelül 6000 bp, két rRNS gént és három fehérjét kódoló gént tartalmaz).

Egyes protisták ( amőba-dizentéria , mikrosporidiumok és giardia ) nemrég felfedezett vestigialis mitokondriumai ( mitoszómái ) nem tartalmaznak DNS-t.

A különböző gombafajok mitokondriális genomjai 19431-től (hasadásos élesztő Schizosaccharomyces pombe ) 100314-ig ( sordariomycete Podospora anserina ) bázispárt tartalmaznak [27] .

Egyes növények hatalmas mitokondriális DNS-molekulákkal rendelkeznek (akár 25 millió bázispárig), amelyek körülbelül ugyanazokat a géneket tartalmazzák, és ugyanolyan mennyiségben, mint a kisebb mtDNS. A mitokondriális DNS hossza nagyon eltérő lehet még az azonos családba tartozó növényekben is. A növényi mitokondriális DNS nem kódoló ismétlődő szekvenciákat tartalmaz.

A humán genom minden komplementer DNS-szálhoz csak egy promotert tartalmaz [23] .

Az emberi mitokondriális genom a következő fehérjéket és RNS-t kódolja:

Fehérjék vagy RNS Gének
NADH-dehidrogenáz
(I. komplex)		 MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Koenzim Q – citokróm c reduktáz/Citokróm b
(III. komplex)		 MT-CYB
citokróm c oxidáz
(komplex IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP szintáz MT-ATP6 , MT-ATP8
rRNS MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
tRNS MT-TA , MT-TC , MT-TD , MT-TE , MT-TF , MT-TG , MT-TH , MT-TI , MT-TK , MT-TL1 , MT-TL2 , MT-TM , MT- TN , MT-TP , MT-TQ , MT-TR , MT-TS1 , MT-TS2 , MT-TT , MT-TV , MT-TW , MT-TY , MT1X

A mitokondriális DNS jellemzői

A mitokondriális genom kódoló szekvenciái ( kodonjai ) némi eltérést mutatnak az univerzális nukleáris DNS kódoló szekvenciáitól.

Így a mitokondriális genomban az AUA kodon metionint kódol (az izoleucin helyett a nukleáris DNS-ben), az AGA és az AGG kodonok terminátorkodonok (a nukleáris DNS-ben az arginint kódolják ), a mitokondriális genomban található UGA kodon pedig a triptofánt [23]. .

Pontosabban, nem mitokondriális DNS-ről beszélünk, hanem mRNS -ről , amelyet a fehérjeszintézis megkezdése előtt leírnak (átírnak) erről a DNS-ről. A kodon megjelölésében szereplő U az uracilt jelenti, amely a timint helyettesíti, amikor a gén RNS-be íródik át .

A tRNS gének száma (22 gén) kevesebb, mint a 32 tRNS gént tartalmazó nukleáris genomban [23] .

A humán mitokondriális genomban az információ annyira koncentrált, hogy a 3'-terminális terminátor kodonoknak megfelelő nukleotidok általában részben törlődnek az mRNS-t kódoló szekvenciákból [23] .

Alkalmazás

Amellett, hogy különféle filogenetikai elméletek felépítésében használják, a mitokondriális genom tanulmányozása az azonosítás fő eszköze . Az azonosítás lehetősége a humán mitokondriális genomban meglévő csoportos, sőt egyéni különbségekhez kapcsolódik.

A mitokondriális DNS-ben kódolt citokróm c oxidáz I. alegység génrégió szekvenciáját széles körben használják az állatok DNS-vonalkódolásával kapcsolatos projektekben , vagyis annak meghatározásában, hogy egy szervezet egy adott taxonhoz tartozik-e a DNS-ében található rövid markerek alapján [28]. [29] . A növényi vonalkódoláshoz főként két marker kombinációját használják a plasztid DNS-ben [30] .

Shukhrat Mitalipov csoportja az Oregoni Egyetem Embrionális Sejt- és Génterápiás Központjában mitokondriális DNS-pótlási módszert fejlesztett ki az örökletes mitokondriális betegségek kezelésére. Most az Egyesült Királyságban megkezdődtek ennek a módszernek a klinikai vizsgálatai, amelyek a nem hivatalos „3 szülő babatechnika” nevet kapták – „három szülő gyermeke”. Az is ismeretes, hogy ennek az eljárásnak a következtében gyermeke született Mexikóban [31] .

Jegyzetek

  1. ↑ Jinks, D., Nem kromoszómális öröklődés, transz. angolból, M., 1966; Sadger R., Gének a kromoszómákon kívül, in: Molecules and Cells, transz. angolból, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963, Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University , Stockholm , Svédország ): Intramitokondriális rostok DNS-jellemzőkkel Archiválva 2008. szeptember 10-én a Wayback Machine -nél (PDF). In: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy és Gottfried Schatz (1964, a Bécsi Egyetem Orvosi Karának Biokémiai Intézetében , Bécsben , Ausztriában ): "Dezoxiribonukleinsav az élesztő mitokondriumaival kapcsolatban" (PDF) Biochem. Biophys. Res. kommun. 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR A mitokondriális genomok funkcionális szervezete humán sejtekben  // BMC Biol  . : folyóirat. - 2004. - 20. évf. 2 . — 9. o . - doi : 10.1186/1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. A mitokondriális genom meglepetései. Priroda, 2002, N 6 . Letöltve: 2014. május 18. Az eredetiből archiválva : 2012. július 28..
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Célmolekulák számlálása exponenciális polimeráz láncreakcióval, mitokondriális DNS kópiaszáma patkányszövetekben  //  Biochim Biophys Acta. : folyóirat. - 1992. - 1. évf. 183 . - P. 553-559 . — PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (downlink) . Letöltve: 2009. május 11. Az eredetiből archiválva : 2011. március 31. 
  8. ↑ Alekszejev, Mihail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitokondriális DNS és öregedés (neopr.)  // Klinikai tudomány. - 2004. - július ( 107. évf. , 4. sz.). - S. 355-364 . - doi : 10.1042/CS20040148 . — PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chencov Yu. S. Általános citológia. - 3. kiadás - Moszkvai Állami Egyetem, 1995. - 384 p. — ISBN 5-211-03055-9 .
  10. ↑ Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag a spermium mitokondriumokhoz  (angol)  // Nature . november 25, 1999. Vol. 402 . - P. 371-372 . - doi : 10.1038/46466 . — PMID 10586873 . Megtárgyalva: [1] Archivált 2007. december 19-én a Wayback Machine -nél
  11. ↑ Vilà C., Savolainen P., Maldonado JE és Amorin IR Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog  // Tudomány  :  folyóirat. - 1997. - június 13. ( 276. köt. ). - P. 1687-1689 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/tudomány.276.5319.1687 . — PMID 9180076 .
  12. ↑ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM A heteroplazma a Mytilus mitokondriális DNS korlátozott biszülői öröklődését sugallja  //  Science : Journal. - 1991. - 1. évf. 251 . - P. 1488-1490 . - doi : 10.1126/tudomány.1672472 . — PMID 1672472 .
  13. ↑ Penman, Danny . A mitokondrium mindkét szülőtől örökölhető , NewScientist.com  (2002. augusztus 23.). Az eredetiből archiválva : 2008. október 11. Letöltve: 2008. február 5.
  14. ↑ Kondo R., Matsuura ET, Chigusa SI A Drosophila mitokondriális DNS apai átvitelének további megfigyelése PCR szelektív amplifikációs módszerrel   // Genet . Res. : folyóirat. - 1992. - 1. évf. 59 , sz. 2 . - P. 81-4 . — PMID 1628820 .
  15. ↑ Meusel MS, Moritz RF Apai mitokondriális DNS átvitele mézelőméhek (Apis mellifera L.) tojásainak megtermékenyítése során  //  Curr. Közönséges petymeg. : folyóirat. - 1993. - 1. évf. 24 , sz. 6 . - P. 539-543 . - doi : 10.1007/BF00351719 . — PMID 8299176 .
  16. ↑ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C. Bizonyíték az apai szivárgásra hibrid periodikus kabócáknál (Hemiptera: Magicicada spp.)  (spanyol)  // PLoS One. : napló. - 2007. - V. 9 . —P.e892 . _ - doi : 10.1371/journal.pone.0000892 .
  17. ↑ Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson AC A mitochondrial DNA apai öröklődése egerekben   // Nature . - 1991. - 1. évf. 352. sz . 6332 . - P. 255-257 . - doi : 10.1038/352255a0 . — PMID 1857422 .
  18. ↑ Shitara H., Hayashi JI, Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Egér mtDNS anyai öröklődése interspecifikus hibridekben: a kiszivárgott apai mtDNA szegregációja, majd a későbbi apai szivárgás megakadályozása  //  Genetika : folyóirat. - 1998. - 1. évf. 148. sz . 2 . - P. 851-857 . — PMID 9504930 .
  19. ↑ Zhao X., Li N., Guo W. et al . További bizonyítékok a mitokondriális DNS apai öröklődésére birkákban (Ovis aries  )  // Öröklődés: folyóirat. - 2004. - 20. évf. 93. sz . 4 . - P. 399-403 . - doi : 10.1038/sj.hdy.6800516 . — PMID 15266295 .
  20. ↑ Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J. et al . Szülői mitokondriális DNS összetétele klónozott szarvasmarhaembriókban  (angol)  // FEBS Lett. : folyóirat. - 1998. - 1. évf. 426 , sz. 3 . - P. 352-356 . - doi : 10.1016/S0014-5793(98)00350-0 . — PMID 9600265 .
  21. ↑ Schwartz M., Vissing J. A mitokondriális DNS apai öröklődése   // N. Engl . J. Med.  : folyóirat. - 2002. - 20. évf. 347. sz . 8 . - P. 576-580 . - doi : 10.1056/NEJMoa020350 . — PMID 12192017 .
  22. ↑ A mitokondriális DNS az apai vonalon keresztül továbbítható • Polina Loseva • Tudományos hírek az elemekről • Genetika, mikrobiológia . Letöltve: 2018. december 24. Az eredetiből archiválva : 2018. december 24..
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Ayala F. D. Modern genetika. 1987.
  24. ↑ Archivált másolat (a hivatkozás nem elérhető) . Letöltve: 2009. október 10. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 13.. 
  25. ↑ Danilenko N. G., Davydenko O. G. - Worlds of organelle genomes
  26. ↑ MW Gray, BF Lang, R Cedergren, GB Golding, C Lemieux, D Sankoff, M Turmel, N Brossard, E Delage, TG Littlejohn, I Plante, P Rioux, D Saint-Louis, Y Zhu és G Burger. Genomszerkezet és géntartalom protista mitokondriális DNS-ekben   // Nucleic Acids Research : folyóirat. - 1998. - 1. évf. 26 . - P. 865-878 . http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 Archiválva : 2008. augusztus 29. a Wayback Machine -nél
  27. ↑ Dyakov Yu. T., Shnyreva A. V., Sergeev A. Yu. Bevezetés a gombák genetikájába . - M . : szerk. Központ "Akadémia", 2005. - S.  52 . — ISBN 5-7695-2174-0 .
  28. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biológiai azonosítás DNS vonalkódokon keresztül  //  Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. - 2003-02-07. — Vol. 270 , iss. 1512 . - P. 313-321 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . Az eredetiből archiválva : 2016. április 19.
  29. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 éve a DNS vonalkódolás bevezetése óta: az elmélettől az alkalmazásig  // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. - T. 55 , sz. 1 . - S. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .
  30. ↑ CBOL Plant Working Group1, Peter M. Hollingsworth, Laura L. Forrest, John L. Spouge, Mehrdad Hajibabaei. DNS vonalkód szárazföldi növények számára  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences . - Nemzeti Tudományos Akadémia , 2009-08-04. — Vol. 106 , iss. 31 . - P. 12794-12797 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0905845106 . Archiválva az eredetiből 2016. május 24-én.
  31. ↑ Alla Asztakhova. Szép munka - 2 . Egészségblog (2017. augusztus 22.). Letöltve: 2017. augusztus 23. Az eredetiből archiválva : 2017. augusztus 23.

Linkek

Lásd még

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban
 Nukleinsav típusok
Nitrogéntartalmú bázisok
Nukleozidok
Nukleotidok
RNS
DNS
Analógok
Vektor típusok