МИТОХОНДРИАЛНА ДНК: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, НАСЛЕДЯВАНЕ, ЗАБОЛЯВАНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В митохондриална ДНК е малка кръгова ДНК молекула, която се намира вътре в тези органели в еукариотни клетки. Този малък геном кодира много ограничен брой протеини и аминокиселини в митохондриите. Често се среща името „митохондриална ДНК“, съкратено в много учебници и научни статии като „mtDNA“ или на английски „mtDNA“.

Митохондриите са основни органели за еукариотните клетки, тъй като те са отговорни за превръщането на енергията от консумираната храна под формата на захари във форма на енергия, която клетките могат да използват (АТФ, например).

Митохондриална ДНК (Източник? Национален изследователски институт за човешкия геном, чрез Wikimedia Commons)

Всички клетки в еукариотните организми имат поне един митохондрион вътре в тях. Има обаче клетки като клетки на сърдечния мускул и клетки на скелетните мускули, които могат да имат стотици митохондрии вътре в тях.

Митохондриите имат собствен апарат за синтез на протеин, независим от клетъчния апарат, с рибозоми, трансферни РНК и аминоацилна РНК трансфераза-синтетаза от вътрешността на органелата; въпреки че рибозомната РНК е по-малка от тази на клетката, която ги помещава.

Такъв апарат показва голямо сходство с апарата за синтез на протеини на бактерии. Освен това, както при прокариотите, този апарат е изключително чувствителен към антибиотици, но много различен от този на синтеза на протеини в еукариотните клетки.

Терминът "митохондрии" е въведен от Бенда в края на XII век, а теорията за "ендосимбиозата" е най-широко приетата за нейния произход. Това е публикувано през 1967 г. от Лин Маргулис в списанието за теоретична биология.

Теорията за "ендосимбиозата" поставя произхода на митохондриите преди милиони години. Теоретизира се, че клетъчен прародител на еукариотните клетки „е погълнал“ и е включил бактериален организъм в своя метаболизъм, който по-късно се превърна в това, което днес познаваме като митохондрии.

характеристики

При бозайниците обикновено целият геном, който съдържа митохондриална ДНК, е организиран в кръгова хромозома от 15 000 до 16 000 двойки нуклеотиди или, което е същото, от 15 до 16 Kb (килобази).

Вътре в повечето митохондрии можете да получите множество копия на митохондриалната хромозома. В човешки соматични клетки (несексуални клетки) е обичайно да се намерят поне 100 копия на митохондриалната хромозома.

При по-високите растения (покритосеменни растения) митохондриалната ДНК обикновено е много по-голяма, например в царевичното растение кръговата хромозома на митохондриалната ДНК може да измерва до 570 Kb.

Митохондриалната ДНК заема около 1% от общата ДНК на соматичните клетки на повечето гръбначни животни. Това е силно запазена ДНК в царството на животните, противно на наблюдаваното в растенията, където има голямо разнообразие.

В някои "гигантски" еукариотни клетки като овули (женски полови клетки) на бозайници или в клетки, съдържащи много митохондрии, митохондриалната ДНК може да съставлява до 1/3 от общата клетъчна ДНК.

Митохондриалната ДНК има някои различни свойства от ядрената ДНК: тя има различна плътност и съотношение на основата на двойки гуанин-цитозин (GC) и аденин-тимин (AT).

Плътността на основната двойка GC в митохондриалната ДНК е 1,68 g / cm3 и съдържанието е 21%; докато в ядрената ДНК тази плътност е 1,68 g / cm3 и съдържанието е около 40%.

Характеристика

Митохондриалната ДНК притежава най-малко 37 гена, които са от съществено значение за нормалната функция на митохондриите. От тях 37, 13 притежават информацията за производството на ензимите, участващи в окислителното фосфорилиране.

Тези 13 гена кодират 13 полипептидни компонента на ензимните комплекси, които принадлежат към електронно-транспортната верига и са разположени във вътрешната мембрана на митохондриите.

Въпреки 13-те полипептида, които митохондриалната ДНК допринася за електронно-транспортната верига, тя е съставена от повече от 100 различни полипептиди. Тези 13 компонента обаче са от съществено значение за окислителното фосфорилиране и електронно-транспортната верига.

Схема на митохондриална ДНК (Източник: Mikibc ~ commonswiki, чрез Wikimedia Commons)

Сред 13-те полипептида, които се синтезират от митохондриална ДНК, се открояват I, II и III субединици на цитохром С оксидазен комплекс и VI субединица на ATPase помпи, вградени във вътрешната мембрана на органелата.

Информацията, необходима за синтеза на останалите компоненти, съставляващи митохондриите, е кодирана от ядрени гени. Те се синтезират в цитоплазмата като останалите клетъчни протеини и след това се внасят в митохондриите благодарение на специфични сигнали.

При окислително фосфорилиране кислородните и захарни атоми като глюкоза се използват за синтеза или образуването на аденозин трифосфат (АТФ), който е химическият вид, използван от всички клетки като източник на енергия.

Останалите митохондриални гени имат инструкциите за синтезиране на трансферни РНК (tRNAs), рибозомни РНК и ензима аминоацил-РНК трансфераза-синтетаза (tRNA), необходими за синтеза на протеини в митохондриите.

наследство

До сравнително наскоро се смяташе, че митохондриалната ДНК се предава изключително чрез наследство от майката, тоест чрез пряко слизане от майката.

Статия, публикувана от Shiyu Luo и колегите му в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences на Съединените американски щати (PNAS) през януари 2019 г., открива, че в редки случаи митохондриалната DNA може да бъде наследена и от двамата родители, и двамата на бащата като на майката.

Преди публикуването на тази статия за учените е било факт, че Y хромозомата и митохондриалната ДНК са наследени непокътнати от бащата и съответно от майката, от потомството.

„Ненарушеното“ наследяване на гените на Y хромозомата на митохондриалните гени предполага, че споменатият генетичен материал не претърпява промени чрез рекомбинация и с течение на годините варира само поради спонтанни мутации, така че вариацията е доста ниска, Поради това повечето проучвания за мобилизация на популацията се правят въз основа на тези гени, тъй като, например, генетиците лесно могат да конструират родословни дървета, използвайки митохондриална ДНК.

Голяма част от човешката история е реконструирана чрез генетичната история на митохондриалната ДНК. Много бизнес къщи дори предлагат да изяснят семейната връзка на всеки жив човек с техните предци чрез техники, които изучават тези характеристики.

копиране

Първият модел на митохондриална репликация на ДНК е предложен през 1972 г. от Виноград и сътрудници и този модел все още е валиден, с някои промени. Като цяло моделът се основава на еднопосочна репликация, която започва от два различни начала на репликация.

Учените класифицират митохондриалната хромозома в две различни вериги, тежката верига, H или OH, от английски "тежка" и лека верига, L или OL от английската "лека". Те са идентифицирани и разположени в двете неприсвоени отворени рамки за четене (URF) на митохондриалната хромозома.

Репликацията на митохондриалния геном започва в тежката верига (OH) и продължава в една посока, докато се произведе цялата дължина на лека верига (OL). Впоследствие протеините, наречени "митохондриални едноверижни протеини за свързване на ДНК" се прикрепят, за да защитят веригата, която функционира като "родител" или "шаблон".

Ензимите, отговорни за разделянето за настъпване на репликацията (репликакозом), преминават към светлинната лента (OL) и се образува контурна структура, която блокира свързването на митохондриални едноверижни ДНК свързващи протеини.

В този контур митохондриалната РНК полимераза се свързва и започва синтеза на новия праймер. Преходът към синтеза на тежка верига (OH) се случва по-късно с 25 нуклеотида.

Точно по време на прехода към тежката верига (OH), митохондриалната РНК полимераза се заменя с митохондриална репликативна ДНК полимераза в 3 'края, където първоначално започва репликацията.

И накрая, синтезът на двете вериги, както тежки (OH), така и леки (OL) протича непрекъснато, докато се формират две пълни кръгови молекули на двуверижна (двуверижна) ДНК.

Свързани заболявания

Има много заболявания, свързани с неизправност на митохондриалната ДНК. Повечето са причинени от мутации, които увреждат последователността или информацията, съдържаща се в генома.

Загуба на слуха спрямо увеличаване на възрастта

Едно от най-добре изследваните заболявания, което е пряко свързано с промените в митохондриалния ДНК геном, е загубата на слуха поради увеличаване на възрастта.

Това състояние е продукт на генетични фактори, фактори на околната среда и начин на живот. С напредване на възрастта митохондриалната ДНК натрупва вредни мутации, като делеции, транслокации, инверсии и др.

Увреждането на митохондриалната ДНК се причинява главно от натрупването на реактивни видове кислород, това са странични продукти от производството на енергия в митохондриите.

Митохондриалната ДНК е особено уязвима за увреждане, тъй като няма система за ремонт. Следователно промените, причинени от реактивни видове кислород, увреждат ДНК на митохондриите и причиняват неизправност на органелата, причинявайки клетъчна смърт.

Клетките на вътрешното ухо имат голямо търсене на енергия. Това търсене ги прави особено чувствителни към увреждането на митохондриалната ДНК. Тези увреждания могат необратимо да променят функцията на вътрешното ухо, което води до пълна загуба на слуха.

Раковите заболявания

Митохондриалната ДНК е особено чувствителна към соматични мутации, мутации, които не се наследяват от родителите. Тези видове мутации се срещат в ДНК на някои клетки през целия живот на човек.

Има доказателства, които свързват промените в митохондриалната ДНК в резултат на соматични мутации с определени видове рак, тумори в млечните жлези, в дебелото черво, в стомаха, в черния дроб и в бъбреците.

Мутациите в митохондриалната ДНК също са свързани с ракови заболявания на кръвта като левкемия и лимфоми (рак на клетките на имунната система).

Специалистите свързват соматичните мутации в митохондриалната ДНК с увеличаване на производството на реактивни видове кислород, фактори, които увеличават увреждането на митохондриалната ДНК и създават липса на контрол в растежа на клетките.

Малко се знае за това как тези мутации увеличават неконтролираното клетъчно деление на клетките и как в крайна сметка се развиват като ракови тумори.

Синдром на циклично повръщане

Смята се, че някои случаи на циклично повръщане, характерни за детството, са свързани с мутации в митохондриалната ДНК. Тези мутации причиняват повтарящи се епизоди на гадене, повръщане и умора или летаргия.

Учените свързват тези епизоди на повръщане с факта, че митохондриите с увредена митохондриална ДНК могат да засегнат определени клетки на вегетативната нервна система, като влияят върху функции като сърдечна честота, кръвно налягане и храносмилане.

Въпреки тези асоциации, все още не е ясно как промените в митохондриалната ДНК причиняват повтарящи се епизоди на синдром на циклично повръщане.

Препратки

1. Клейтън, Д. (2003). Репликация на митохондриална ДНК: това, което знаем. IUBMB живот, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Репликация на митохондриална ДНК в клетки на бозайници: преглед на пътя. Есета по биохимия, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, и Wallace, DC (1980). Унаследяване от майката на човешката митохондриална ДНК. Сборник на Националната академия на науките, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Отговор на Lutz-Bonengel et al.: Бипаренталната mtDNA трансмисия е малко вероятно да бъде резултат от ядрените митохондриални ДНК сегменти. Трудове на Националната академия на науките, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG и Suomalainen, A. (2019). Съдбата на митохондриите на баща. Природа, 565 (7739), 296-297.
6. Национална медицинска библиотека. Генетична справка за дома: вашето ръководство за разбиране на генетичните състояния.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Поддържане на митохондриална ДНК при гръбначни животни. Годишен преглед на биохимията, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, и Snustad, DP (2006). Принципи на генетиката. John Wiley & Sons.