МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, НАСЛЕДОВАНИЕ, БОЛЕЗНИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Митохондриальная ДНК представляет собой небольшая круглая молекула ДНК , которая находится внутри этих органелл в эукариотических клетках. Этот небольшой геном кодирует очень ограниченное количество белков и аминокислот в митохондриях. Во многих учебниках и научных статьях название «митохондриальная ДНК» часто сокращается как «мтДНК» или по-английски «мтДНК».

Митохондрии являются важными органеллами для эукариотических клеток, поскольку они отвечают за преобразование энергии из пищи, потребляемой в форме сахаров, в форму энергии, которую клетки могут использовать (например, АТФ).

Митохондриальная ДНК (Источник? Национальный институт исследования генома человека, через Wikimedia Commons)

Все клетки эукариотических организмов имеют внутри как минимум одну митохондрию. Однако есть клетки, такие как клетки сердечной мышцы и клетки скелетных мышц, внутри которых могут находиться сотни митохондрий.

Митохондрии имеют свой собственный аппарат синтеза белка, независимый от клеточного аппарата, с рибосомами, транспортными РНК и аминоацил РНК трансферазой-синтетазой изнутри органеллы; хотя рибосомная РНК меньше, чем у клетки, в которой они находятся.

Такой аппарат демонстрирует большое сходство с аппаратом синтеза белков бактерий. Кроме того, как и у прокариот, этот аппарат чрезвычайно чувствителен к антибиотикам, но сильно отличается от аппарата синтеза белка в эукариотических клетках.

Термин «митохондрии» был введен Бендой в конце 12 века, и теория «эндосимбиоза» является наиболее широко распространенной в отношении его происхождения. Это было опубликовано в 1967 году Линн Маргулис в «Журнале теоретической биологии».

Теория «эндосимбиоза» считает, что митохондрии возникли миллионы лет назад. Предполагается, что клеточный предок эукариотических клеток «поглотил» и включил бактериоподобный организм в свой метаболизм, который позже стал тем, что мы теперь называем митохондриями.

характеристики

У млекопитающих, как правило, весь геном, содержащий митохондриальную ДНК, организован в кольцевую хромосому из 15 000–16 000 пар нуклеотидов или, что то же самое, от 15 до 16 Kb (килобаз).

Внутри большинства митохондрий можно получить несколько копий митохондриальной хромосомы. В соматических клетках человека (неполовых клетках) обычно можно найти не менее 100 копий митохондриальной хромосомы.

У высших растений (покрытосеменных) митохондриальная ДНК обычно намного больше, например, у кукурузы круговая хромосома митохондриальной ДНК может иметь размер до 570 килобайт.

Митохондриальная ДНК занимает около 1% общей ДНК соматических клеток большинства позвоночных животных. Это высококонсервативная ДНК в животном мире, в отличие от того, что наблюдается у растений, где существует большое разнообразие.

В некоторых «гигантских» эукариотических клетках, таких как яйцеклетки (женские половые клетки) млекопитающих, или в клетках, содержащих множество митохондрий, митохондриальная ДНК может составлять до 1/3 всей клеточной ДНК.

Митохондриальная ДНК имеет некоторые свойства, отличные от ядерной ДНК: она имеет другую плотность и соотношение пар оснований гуанин-цитозин (GC) и аденин-тимин (AT).

Плотность пар оснований GC в митохондриальной ДНК составляет 1,68 г / см3, а содержание составляет 21%; в то время как в ядерной ДНК эта плотность составляет 1,68 г / см3, а содержание составляет около 40%.

Характеристики

Митохондриальная ДНК содержит не менее 37 генов, которые необходимы для нормального функционирования митохондрий. Из этих 37, 13 обладают информацией для производства ферментов, участвующих в окислительном фосфорилировании.

Эти 13 генов кодируют 13 полипептидных компонентов ферментных комплексов, которые принадлежат цепи переноса электронов и расположены во внутренней мембране митохондрий.

Несмотря на 13 полипептидов, которые митохондриальная ДНК вносит в цепь переноса электронов, она состоит из более чем 100 различных полипептидов. Однако эти 13 компонентов необходимы для окислительного фосфорилирования и цепи переноса электронов.

Схема митохондриальной ДНК (Источник: Mikibc ~ commonswiki, через Wikimedia Commons)

Среди 13 полипептидов, которые синтезируются из митохондриальной ДНК, выделяются субъединицы I, II и III комплекса цитохром С оксидазы и субъединица VI АТФазных насосов, встроенных во внутреннюю мембрану органеллы.

Информация, необходимая для синтеза остальных компонентов, составляющих митохондрии, кодируется ядерными генами. Они синтезируются в цитоплазме, как и остальные клеточные белки, а затем импортируются в митохондрии благодаря специфическим сигналам.

При окислительном фосфорилировании атомы кислорода и сахара, такие как глюкоза, используются для синтеза или образования аденозинтрифосфата (АТФ), который является химическим веществом, используемым всеми клетками в качестве источника энергии.

Остальные митохондриальные гены содержат инструкции по синтезу транспортных РНК (тРНК), рибосомных РНК и фермента аминоацил-РНК-трансферазы-синтетазы (тРНК), необходимых для синтеза белка в митохондриях.

Наследие

До сравнительно недавнего времени считалось, что митохондриальная ДНК передается исключительно по материнской наследственности, то есть по прямому происхождению от матери.

Однако в статье, опубликованной Шию Луо и его коллегами в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) в январе 2019 года, было обнаружено, что в редких случаях митохондриальная ДНК может быть унаследована от обоих родителей. отца как матери.

До публикации этой статьи ученые считали фактом, что Y-хромосома и митохондриальная ДНК передаются потомству в неизменном виде от отца и матери соответственно.

«Неповрежденное» наследование генов Y-хромосомы митохондриальных генов подразумевает, что указанный генетический материал не претерпевает изменений в результате рекомбинации, и с годами они меняются только из-за спонтанных мутаций, поэтому вариации довольно низкие. ,

По этой причине большинство исследований по мобилизации населения проводится на основе этих генов, поскольку, например, генетикам легко построить родословные с использованием митохондриальной ДНК.

Большая часть истории человечества реконструирована с помощью генетической истории митохондриальной ДНК. Даже многие коммерческие дома предлагают прояснить семейные узы каждого живого человека со своими предками с помощью методов, изучающих эти характеристики.

копирование

Первая модель репликации митохондриальной ДНК была предложена в 1972 году Виноградом и соавторами, и эта модель с некоторыми изменениями действует до сих пор. В целом модель основана на односторонней репликации, которая начинается в двух разных источниках репликации.

Ученые классифицируют митохондриальную хромосому на две разные цепи: тяжелая цепь H или OH от английского «тяжелая» и легкая цепь L или OL от английского «легкая». Они идентифицируются и располагаются в двух неназначенных открытых рамках считывания (URF) на митохондриальной хромосоме.

Репликация митохондриального генома начинается в тяжелой цепи (ОН) и продолжается в одном направлении до тех пор, пока не образуется полная длина легкой цепи (OL). Затем присоединяются белки, называемые «митохондриальными белками, связывающими одноцепочечную ДНК», для защиты цепи, которая функционирует как «родительская» или «матрица».

Ферменты, ответственные за разделение для возникновения репликации (репликосома), переходят в светлую полосу (OL), и образуется петлевая структура, которая блокирует связывание митохондриальных одноцепочечных ДНК-связывающих белков.

В этой петле связывается митохондриальная РНК-полимераза, и начинается синтез нового праймера. Переход к синтезу тяжелой цепи (ОН) происходит на 25 нуклеотидов позже.

Прямо во время перехода к тяжелой цепи (ОН) митохондриальная РНК-полимераза заменяется митохондриальной репликативной ДНК-полимеразой на 3'-конце, где изначально началась репликация.

Наконец, синтез обеих цепей, как тяжелой (ОН), так и легкой (OL), продолжается непрерывно, пока не образуются две полные кольцевые молекулы двухцепочечной (двухцепочечной) ДНК.

Сопутствующие заболевания

Есть много заболеваний, связанных с нарушением работы митохондриальной ДНК. Большинство из них вызвано мутациями, которые повреждают последовательность или информацию, содержащуюся в геноме.

Потеря слуха по сравнению с возрастом

Одно из наиболее изученных заболеваний, которое напрямую связано с изменениями в геноме митохондриальной ДНК, - потеря слуха из-за старения.

Это состояние является результатом генетических факторов, факторов окружающей среды и образа жизни. По мере того как люди начинают стареть, митохондриальная ДНК накапливает вредные мутации, такие как делеции, транслокации, инверсии и другие.

Повреждение митохондриальной ДНК вызывается, в основном, накоплением активных форм кислорода, которые являются побочными продуктами производства энергии в митохондриях.

Митохондриальная ДНК особенно уязвима для повреждения, поскольку у нее нет системы восстановления. Следовательно, изменения, вызванные активными формами кислорода, повреждают митохондриальную ДНК и вызывают нарушение работы органелл, вызывая гибель клеток.

Клетки внутреннего уха очень нуждаются в энергии. Это требование делает их особенно чувствительными к повреждению митохондриальной ДНК. Эти повреждения могут необратимо изменить функцию внутреннего уха, что приведет к полной потере слуха.

Раковые

Митохондриальная ДНК особенно чувствительна к соматическим мутациям, мутациям, которые не передаются по наследству от родителей. Подобные мутации происходят в ДНК некоторых клеток на протяжении всей жизни человека.

Имеются данные, связывающие изменения митохондриальной ДНК в результате соматических мутаций с некоторыми видами рака, опухолями молочных желез, толстой кишки, желудка, печени и почек.

Мутации в митохондриальной ДНК также были связаны с раком крови, таким как лейкемия и лимфомы (рак клеток иммунной системы).

Специалисты связывают соматические мутации в митохондриальной ДНК с увеличением производства активных форм кислорода, факторов, которые увеличивают повреждение митохондриальной ДНК и создают недостаток контроля над ростом клеток.

Мало что известно о том, как эти мутации увеличивают неконтролируемое деление клеток и как они в конечном итоге превращаются в раковые опухоли.

Синдром циклической рвоты

Считается, что некоторые случаи циклической рвоты, типичные для детства, связаны с мутациями в митохондриальной ДНК. Эти мутации вызывают повторяющиеся эпизоды тошноты, рвоты, усталости или летаргии.

Ученые связывают эти эпизоды рвоты с тем фактом, что митохондрии с поврежденной митохондриальной ДНК могут влиять на определенные клетки вегетативной нервной системы, влияя на такие функции, как частота сердечных сокращений, артериальное давление и пищеварение.

Несмотря на эти ассоциации, пока не ясно, как изменения в митохондриальной ДНК вызывают повторяющиеся эпизоды синдрома циклической рвоты.

Ссылки

1. Клейтон, Д. (2003). Репликация митохондриальной ДНК: что мы знаем. ИУБМБ жизнь, 55 (4-5), 213-217.
2. Фалькенберг, М. (2018). Репликация митохондриальной ДНК в клетках млекопитающих: обзор пути. Очерки биохимии, 62 (3), 287-296.
3. Джайлз Р. Э., Блан Х., Канн Х. М. и Уоллес, округ Колумбия (1980). Материнская наследственность митохондриальной ДНК человека. Слушания Национальной академии наук, 77 (11), 6715-6719
4. Луо, С., Валенсия, Калифорния, Чжан, Дж., Ли, Северная Каролина, Слоун, Дж., Гуй, Б., и Чен, С. М. (2019). Ответ Lutz-Bonengel et al.: Бипарентная передача мтДНК вряд ли будет результатом ядерных сегментов митохондриальной ДНК. Труды Национальной академии наук, 116 (6), 1823-1824 гг.
5. Маквильямс, Т.Г., и Суомалайнен, А. (2019). Судьба отцовских митохондрий. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. Национальная медицинская библиотека. Домашний справочник по генетике: ваш путеводитель по генетическим заболеваниям.
7. Шадель, Г.С., и Клейтон, Д.А. (1997). Поддержание митохондриальной ДНК у позвоночных. Ежегодный обзор биохимии, 66 (1), 409-435.
8. Симмонс, MJ, и Snustad, DP (2006). Принципы генетики. Джон Вили и сыновья.