MITOKONDRIALT DNA: KJENNETEGN, FUNKSJONER, ARV, SYKDOMMER - BIOLOGI - 2025

Det mitokondrielle DNA er et lite sirkulært DNA-molekyl som er plassert inne i disse organellene i eukaryote celler. Dette lille genomet koder for et veldig begrenset antall proteiner og aminosyrer i mitokondriene. Det er vanlig å finne navnet "mitokondriell DNA" forkortet i mange lærebøker og vitenskapelige artikler som "mtDNA" eller på engelsk "mtDNA".

Mitokondrier er essensielle organeller for eukaryote celler, siden de er ansvarlige for å transformere energien fra mat som konsumeres i form av sukker til en form for energi som celler kan bruke (for eksempel ATP).

Mitokondrialt DNA (kilde? National Human Genome Research Institute, via Wikimedia Commons)

Alle celler i eukaryote organismer har minst en mitokondrion inne i seg. Imidlertid er det celler som hjertemuskelceller og skjelettmuskelceller som kan ha hundrevis av mitokondrier inni seg.

Mitokondrier har sitt eget proteinsynteseapparat uavhengig av celleapparatet, med ribosomer, overførings-RNA og en aminoacyl-RNA-transferase-syntetase fra det indre av organellen; selv om ribosomalt RNA er mindre enn cellen som huser dem.

Et slikt apparat viser stor likhet med apparatet for proteinsyntese av bakterier. Videre, som i prokaryoter, er dette apparatet ekstremt følsomt for antibiotika, men veldig forskjellig fra proteinsyntese i eukaryote celler.

Begrepet "mitokondrier" ble introdusert av Benda på slutten av 1100-tallet, og teorien om "endosymbiose" er den mest aksepterte om dens opprinnelse. Dette ble publisert i 1967 av Lynn Margulis, i Journal of Theoretical Biology.

Teorien om "endosymbiose" plasserer opphavet til mitokondriene for millioner av år siden. Det er teoretisert at en cellulær stamfar til eukaryote celler “oppsluktet” og innlemmet en bakterieaktig organisme i metabolismen, som senere ble det vi nå kjenner som mitokondrier.

kjennetegn

Hos pattedyr er generelt hele genomet som inneholder mitokondriell DNA organisert i et sirkulært kromosom på 15.000 til 16.000 par nukleotider eller, hva er det samme, på 15 til 16 Kb (kilobaser).

Inne i de fleste mitokondrier kan du få flere kopier av mitokondrialt kromosom. I humane somatiske celler (ikke-kjønnsceller) er det vanlig å finne minst 100 kopier av mitokondrielt kromosom.

I høyere planter (angiospermer) er mitokondrialt DNA vanligvis mye større, for eksempel i maisplanten kan det sirkulære kromosomet av mitokondrialt DNA måle seg opp til 570 Kb.

Mitokondrialt DNA opptar omtrent 1% av det totale DNAet til somatiske celler hos de fleste virveldyr. Det er et svært bevart DNA i dyreriket, i motsetning til hva som er observert i planter, der det er et bredt mangfold.

I noen "gigantiske" eukaryote celler som eggløsning (kvinnelige kjønnsceller) hos pattedyr eller i celler som inneholder mange mitokondrier, kan mitokondrialt DNA utgjøre opptil 1/3 av total cellulært DNA.

Mitokondrialt DNA har noen forskjellige egenskaper enn kjernefysisk DNA: det har en annen tetthet og forhold mellom guanin-cytosin (GC) og adenintymin (AT) basepar.

GC-baseparets tetthet i mitokondrielt DNA er 1,68 g / cm3 og innholdet er 21%; mens i kjernefysisk DNA er denne tettheten 1,68 g / cm3 og innholdet er rundt 40%.

Egenskaper

Mitokondrialt DNA har minst 37 gener som er essensielle for mitokondriens normale funksjon. Av de 37 har 13 informasjonen for å produsere enzymene involvert i oksidativ fosforylering.

Disse 13 genene koder for 13 polypeptidkomponenter av enzymkompleksene som tilhører elektrontransportkjeden og er lokalisert i den indre membranen i mitokondriene.

Til tross for de 13 polypeptidene som mitokondrielt DNA bidrar til elektrontransportkjeden, består den av mer enn 100 forskjellige polypeptider. Imidlertid er disse 13 komponentene essensielle for oksidativ fosforylering og elektrontransportkjeden.

Skjematisk av mitokondrielt DNA (Kilde: Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)

Blant de 13 polypeptidene som er syntetisert fra mitokondriell DNA, skiller jeg I, II og III underenhetene til cytokrom C oksidase-komplekset og VI-underenheten til ATPase-pumper innebygd i den indre membranen til organellen.

Informasjonen som er nødvendig for syntesen av resten av komponentene som utgjør mitokondriene, kodes av kjernefysiske gener. Disse syntetiseres i cytoplasmaen som resten av cellulære proteiner og importeres deretter til mitokondriene takket være spesifikke signaler.

I oksidativ fosforylering brukes oksygen og sukkeratomer som glukose til syntese eller dannelse av adenosintrifosfat (ATP), som er den kjemiske art som brukes av alle celler som en energikilde.

De gjenværende mitokondriske gener har instruksjonene for syntese av overførings-RNA-er (tRNA), ribosomale RNA-er og enzymet aminoacyl-RNA-transferase-syntetase (tRNA), som er nødvendig for proteinsyntese i mitokondriene.

Heritage

Inntil relativt nylig ble det antatt at mitokondrielt DNA ble overført utelukkende gjennom mors arv, det vil si ved direkte avstamning fra moren.

Imidlertid fant en artikkel publisert av Shiyu Luo og kolleger i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) i januar 2019, at mitokondrie-DNA i sjeldne tilfeller kan arves fra begge foreldrene, begge av faren som av moren.

Før publikasjonen av denne artikkelen var det et faktum for forskere at Y-kromosomet og mitokondrielt DNA ble arvet intakt fra henholdsvis far og mor til avkommet.

Den "intakte" arven fra genene til Y-kromosomet av mitokondrielle gener innebærer at nevnte genetiske materiale ikke gjennomgår forandringer ved rekombinasjon og i løpet av årene bare varierer på grunn av spontane mutasjoner, så variasjonen er ganske liten .

På grunn av dette blir de fleste populasjonsmobiliseringsstudier utført på grunnlag av disse genene, siden det for eksempel er lett for genetikere å konstruere slektstrær ved hjelp av mitokondriell DNA.

Mye av menneskets historie er blitt rekonstruert gjennom den genetiske historien til mitokondriell DNA. Mange forretningshus tilbyr til og med å tydeliggjøre familiebåndet til hver levende person med sine forfedre gjennom teknikker som studerer disse egenskapene.

Replication

Den første modellen av mitokondriell DNA-replikasjon ble foreslått i 1972 av Vinograd og samarbeidspartnere, og denne modellen er fortsatt gyldig, med noen endringer. I det store og hele er modellen basert på en enveis replikasjon som begynner på to forskjellige opprinnelsesgrunner.

Forskere klassifiserer mitokondries kromosom i to forskjellige kjeder, den tunge kjeden, H eller OH, fra engelsk "tung" og lett kjede, L eller OL fra engelsk "lett." Disse er identifisert og lokalisert i de to utildelte åpne leserammene (URF) på mitokondriell kromosom.

Replikasjonen av mitokondrielt genom begynner i den tunge kjeden (OH) og fortsetter i en retning til full lengde av den lette kjeden (OL) er produsert. Deretter festes proteiner som kalles "mitokondrielle enstrengede DNA-bindende proteiner" for å beskytte kjeden som fungerer som "foreldre" eller "mal."

Enzymene som er ansvarlige for separasjonen for at replikasjon skal skje (replikosom) passerer inn i lysbåndet (OL) og det dannes en sløyfestruktur som blokkerer bindingen av mitokondrielle enstrengede DNA-bindende proteiner.

I denne sløyfen binder den mitokondriske RNA-polymerasen og syntesen av den nye primeren begynner. Overgangen til tungkjede (OH) syntese skjer 25 nukleotider senere.

Rett på tidspunktet for overgangen til tungkjeden (OH) blir mitokondriell RNA-polymerase erstattet av mitokondriell replikativ DNA-polymerase ved 3'-enden, hvor replikasjonen opprinnelig begynte.

Til slutt fortsetter syntesen av begge kjeder, både tung (OH) og lett (OL) kontinuerlig inntil to komplette sirkulære molekyler med dobbelttrådet (dobbelttrådet) DNA dannes.

Beslektede sykdommer

Det er mange sykdommer relatert til en funksjonsfeil i mitokondrialt DNA. De fleste er forårsaket av mutasjoner som skader sekvensen eller informasjonen i genomet.

Hørselstap relativt til økende alder

En av de best studerte sykdommene som har vært direkte relatert til endringer i mitokondrialt DNA-genom er hørselstap på grunn av økende alder.

Denne tilstanden er et produkt av genetiske, miljømessige og livsstilsfaktorer. Når mennesker blir eldre, akkumuleres mitokondrielt DNA skadelige mutasjoner, for eksempel slettinger, translokasjoner, inversjoner og mer.

Skader på mitokondrielt DNA skyldes hovedsakelig akkumulering av reaktive oksygenarter, dette er biprodukter fra energiproduksjon i mitokondriene.

Mitokondrialt DNA er spesielt utsatt for skader, siden det ikke har et reparasjonssystem. Derfor skifter forandringer forårsaket av reaktive oksygenarter mitokondriell DNA og får organellen til å fungere og forårsake celledød.

Cellene i det indre øret har stor etterspørsel etter energi. Dette kravet gjør dem spesielt følsomme for mitokondrielle DNA-skader. Disse skadene kan irreversibelt endre funksjonen til det indre øret, og føre til totalt hørselstap.

kreft

Mitokondrialt DNA er spesielt følsomt for somatiske mutasjoner, mutasjoner som ikke arves fra foreldre. Disse typer mutasjoner forekommer i DNAet til noen celler gjennom en persons liv.

Det er bevis på at koblinger av mitokondrielle DNA-forandringer som følge av somatiske mutasjoner med visse typer kreft, svulster i brystkjertlene, i tykktarmen, i magen, i leveren og i nyrene.

Mutasjoner i mitokondrielt DNA har også vært assosiert med blodkreft som leukemi og lymfomer (kreft i immunsystemets celler).

Spesialister knytter somatiske mutasjoner i mitokondrialt DNA med en økning i produksjonen av reaktive oksygenarter, faktorer som øker mitokondriell DNA-skade og skaper en mangel på kontroll i celleveksten.

Lite er kjent om hvordan disse mutasjonene øker den ukontrollerte celledelingen av celler og hvordan de ender opp med å utvikle seg som kreftsvulster.

Syklisk oppkast syndrom

Noen tilfeller av syklisk oppkast, typisk for barndommen, antas å være relatert til mutasjoner i mitokondrielt DNA. Disse mutasjonene forårsaker tilbakevendende episoder med kvalme, oppkast og tretthet eller slapphet.

Forskere forbinder disse oppkastepisodene med det faktum at mitokondrier med skadet mitokondrialt DNA kan påvirke visse celler i det autonome nervesystemet, noe som påvirker funksjoner som hjerterytme, blodtrykk og fordøyelse.

Til tross for disse assosiasjonene, er det foreløpig ikke klart hvordan endringer i mitokondrielt DNA forårsaker tilbakevendende episoder av syklisk oppkastsyndrom.

referanser

1. Clayton, D. (2003). Mitokondriell DNA-replikasjon: det vi vet. IUBMB-liv, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Mitokondriell DNA-replikasjon i pattedyrceller: oversikt over veien. Essays in biochemistry, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Morsarv av humant mitokondrielt DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Svar til Lutz-Bonengel et al .: Biparental mtDNA-overføring vil neppe være et resultat av nukleære mitokondrielle DNA-segmenter. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Skjebnen til en fars mitokondrier. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. National Library of Medicine. Henvisning til genetikk: din guide til forståelse av genetiske forhold.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Mitokondrielt DNA-vedlikehold i virveldyr. Årlig gjennomgang av biokjemi, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Prinsipper for genetikk. John Wiley & Sons.