DNA MITOCHONDRIALNE: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, DZIEDZICZENIE, CHOROBY - BIOLOGIA - 2026

Mitochondrialnego DNA jest małą cząsteczką DNA, okrągły, który znajduje się wewnątrz tych organelli w komórkach eukariotycznych. Ten mały genom koduje bardzo ograniczoną liczbę białek i aminokwasów w mitochondriach. W wielu podręcznikach i artykułach naukowych nazwa „mitochondrialny DNA” jest często skracana jako „mtDNA” lub w języku angielskim „mtDNA”.

Mitochondria są organellami niezbędnymi dla komórek eukariotycznych, ponieważ są odpowiedzialne za przekształcanie energii spożywanej w postaci cukrów w energię, z której mogą korzystać komórki (na przykład ATP).

DNA mitochondrialne (źródło: National Human Genome Research Institute, za Wikimedia Commons)

Wszystkie komórki organizmów eukariotycznych mają w sobie co najmniej jedno mitochondrium. Istnieją jednak komórki, takie jak komórki mięśnia sercowego i komórki mięśni szkieletowych, w których mogą znajdować się setki mitochondriów.

Mitochondria mają własny aparat do syntezy białek, niezależny od aparatu komórkowego, z rybosomami, transferowym RNA i syntetazą aminacylo-transferazy RNA z wnętrza organelli; chociaż rybosomalny RNA jest mniejszy niż komórka, w której się znajdują.

Taki aparat wykazuje duże podobieństwo do aparatu syntezy białek bakterii. Ponadto, podobnie jak u prokariotów, aparat ten jest niezwykle wrażliwy na antybiotyki, ale bardzo różni się od syntezy białek w komórkach eukariotycznych.

Termin „mitochondria” został wprowadzony przez Bendę pod koniec XII wieku, a teoria „endosymbiozy” jest najpowszechniej akceptowaną co do jej pochodzenia. Zostało to opublikowane w 1967 roku przez Lynn Margulis w Journal of Theoretical Biology.

Teoria „endosymbiozy” umiejscawia pochodzenie mitochondriów miliony lat temu. Istnieje teoria, że ​​przodek komórkowy komórek eukariotycznych „pochłonął” i włączył organizm podobny do bakterii do swojego metabolizmu, który później stał się tym, co obecnie znamy jako mitochondria.

cechy

U ssaków, ogólnie rzecz biorąc, cały genom, który zawiera mitochondrialne DNA, jest zorganizowany w kolistym chromosomie zawierającym 15 000 do 16 000 par nukleotydów lub co jest tym samym 15 do 16 Kb (kilozasad).

W większości mitochondriów można uzyskać wiele kopii chromosomu mitochondrialnego. W ludzkich komórkach somatycznych (komórkach innych niż płciowe) często znajduje się co najmniej 100 kopii chromosomu mitochondrialnego.

W roślinach wyższych (okrytozalążkowych) mitochondrialne DNA jest zwykle znacznie większe, na przykład u kukurydzy okrągły chromosom mitochondrialnego DNA może mierzyć do 570 Kb.

DNA mitochondrialne zajmuje około 1% całkowitego DNA komórek somatycznych większości kręgowców. Jest to wysoce konserwatywne DNA w królestwie zwierząt, w przeciwieństwie do tego, co obserwuje się u roślin, gdzie występuje duża różnorodność.

W niektórych „gigantycznych” komórkach eukariotycznych, takich jak zalążki (żeńskie komórki płciowe) ssaków lub w komórkach zawierających wiele mitochondriów, mitochondrialne DNA może stanowić do 1/3 całkowitego DNA komórkowego.

DNA mitochondrialne ma pewne inne właściwości niż DNA jądrowe: ma inną gęstość i stosunek par zasad guanina-cytozyna (GC) i adenina-tymina (AT).

Gęstość par zasad GC w mitochondrialnym DNA wynosi 1,68 g / cm3, a zawartość wynosi 21%; podczas gdy w DNA jądrowym gęstość ta wynosi 1,68 g / cm3, a zawartość wynosi około 40%.

cechy

DNA mitochondrialne zawiera co najmniej 37 genów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania mitochondriów. Spośród tych 37 13 posiada informacje potrzebne do produkcji enzymów biorących udział w fosforylacji oksydacyjnej.

Te 13 genów koduje 13 polipeptydowych składników kompleksów enzymatycznych, które należą do łańcucha transportu elektronów i znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondriów.

Pomimo 13 polipeptydów, które mitochondrialne DNA przyczynia się do łańcucha transportu elektronów, składa się z ponad 100 różnych polipeptydów. Jednak te 13 składników jest niezbędnych dla fosforylacji oksydacyjnej i łańcucha transportu elektronów.

Schemat mitochondrialnego DNA (źródło: Mikibc ~ commonswiki, za Wikimedia Commons)

Wśród 13 polipeptydów, które są syntetyzowane z mitochondrialnego DNA, wyróżniają się podjednostki I, II i III kompleksu oksydazy cytochromu C oraz podjednostka VI pomp ATPazy osadzonych w wewnętrznej błonie organelli.

Informacje niezbędne do syntezy pozostałych składników mitochondriów są kodowane przez geny jądrowe. Są one syntetyzowane w cytoplazmie, podobnie jak reszta białek komórkowych, a następnie importowane do mitochondriów dzięki określonym sygnałom.

W fosforylacji oksydacyjnej atomy tlenu i cukru, takie jak glukoza, są wykorzystywane do syntezy lub tworzenia trifosforanu adenozyny (ATP), który jest substancją chemiczną wykorzystywaną przez wszystkie komórki jako źródło energii.

Pozostałe geny mitochondrialne mają instrukcje dotyczące syntezy transferowanych RNA (tRNA), rybosomalnego RNA i enzymu syntetazy transferazy aminoacylo-RNA (tRNA), niezbędnego do syntezy białek w mitochondriach.

Dziedzictwo

Jeszcze do niedawna sądzono, że mitochondrialne DNA jest przekazywane wyłącznie poprzez dziedziczenie po matce, czyli poprzez bezpośrednie potomstwo od matki.

Jednak artykuł opublikowany przez Shiyu Luo i współpracowników w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) w styczniu 2019 roku wykazał, że w rzadkich przypadkach mitochondrialne DNA może być odziedziczone po obojgu rodzicach. ojca jak matki.

Przed publikacją tego artykułu było dla naukowców faktem, że chromosom Y i mitochondrialne DNA zostały odziedziczone w nienaruszonym stanie odpowiednio po ojcu i matce, potomstwu.

„Nienaruszone” dziedziczenie genów chromosomu Y genów mitochondrialnych oznacza, że ​​wspomniany materiał genetyczny nie ulega zmianom w wyniku rekombinacji i na przestrzeni lat zmienia się tylko z powodu spontanicznych mutacji, więc zmienność jest dość niska .

Z tego powodu większość badań nad mobilizacją populacji przeprowadza się na podstawie tych genów, ponieważ np. Genetykom łatwo jest konstruować drzewa genealogiczne przy użyciu mitochondrialnego DNA.

Wiele historii ludzkości zostało zrekonstruowanych poprzez historię genetyczną mitochondrialnego DNA. Wiele domów handlowych oferuje nawet wyjaśnienie więzi rodzinnej każdej żyjącej osoby z przodkami za pomocą technik, które badają te cechy.

Replikacja

Pierwszy model replikacji mitochondrialnego DNA został zaproponowany w 1972 roku przez Vinograda i współpracowników i model ten jest nadal aktualny, z pewnymi zmianami. Ogólnie rzecz biorąc, model opiera się na jednokierunkowej replikacji, która rozpoczyna się w dwóch różnych początkach replikacji.

Naukowcy klasyfikują chromosom mitochondrialny na dwa różne łańcuchy, łańcuch ciężki, H lub OH, z angielskiego „ciężkiego” i lekkiego łańcucha, L lub OL z angielskiego „lekki”. Są one zidentyfikowane i zlokalizowane w dwóch nieprzypisanych otwartych ramkach odczytu (URF) na chromosomie mitochondrialnym.

Replikacja genomu mitochondrialnego rozpoczyna się w łańcuchu ciężkim (OH) i trwa w jednym kierunku, aż do wytworzenia pełnej długości łańcucha lekkiego (OL). Następnie dołączane są białka zwane „mitochondrialnymi jednoniciowymi białkami wiążącymi DNA”, aby chronić łańcuch, który pełni rolę „rodzica” lub „matrycy”.

Enzymy odpowiedzialne za separację w celu wystąpienia replikacji (replikakosom) przechodzą do pasma światła (OL) i tworzy się struktura pętli, która blokuje wiązanie mitochondrialnych jednoniciowych białek wiążących DNA.

W tej pętli mitochondrialna polimeraza RNA wiąże się i rozpoczyna się synteza nowego startera. Przejście do syntezy łańcucha ciężkiego (OH) następuje 25 nukleotydów później.

W momencie przejścia do łańcucha ciężkiego (OH) mitochondrialna polimeraza RNA jest zastępowana przez mitochondrialną replikacyjną polimerazę DNA na końcu 3 ', gdzie początkowo rozpoczęła się replikacja.

Wreszcie synteza obu łańcuchów, zarówno ciężkiego (OH), jak i lekkiego (OL), przebiega w sposób ciągły, aż do powstania dwóch kompletnych kolistych cząsteczek dwuniciowego (dwuniciowego) DNA.

Powiązane choroby

Istnieje wiele chorób związanych z nieprawidłowym działaniem mitochondrialnego DNA. Większość jest spowodowana mutacjami, które uszkadzają sekwencję lub informację zawartą w genomie.

Utrata słuchu w stosunku do wieku

Jedną z najlepiej zbadanych chorób, która ma bezpośredni związek ze zmianami w genomie mitochondrialnego DNA, jest utrata słuchu spowodowana wiekiem.

Ten stan jest wynikiem czynników genetycznych, środowiskowych i stylu życia. Wraz z wiekiem mitochondrialne DNA gromadzi szkodliwe mutacje, takie jak delecje, translokacje, inwersje i inne.

Uszkodzenie mitochondrialnego DNA jest spowodowane głównie nagromadzeniem reaktywnych form tlenu, które są produktami ubocznymi produkcji energii w mitochondriach.

DNA mitochondrialne jest szczególnie podatne na uszkodzenia, ponieważ nie ma systemu naprawczego. Dlatego zmiany spowodowane przez reaktywne formy tlenu uszkadzają mitochondrialne DNA i powodują nieprawidłowe działanie organelli, powodując śmierć komórki.

Komórki ucha wewnętrznego mają duże zapotrzebowanie na energię. To wymaganie czyni je szczególnie wrażliwymi na uszkodzenia mitochondrialnego DNA. Uszkodzenia te mogą nieodwracalnie zmienić funkcję ucha wewnętrznego, prowadząc do całkowitej utraty słuchu.

Raki

DNA mitochondrialne jest szczególnie wrażliwe na mutacje somatyczne, mutacje, które nie są dziedziczone po rodzicach. Tego typu mutacje występują w DNA niektórych komórek przez całe życie człowieka.

Istnieją dowody na to, że zmiany mitochondrialnego DNA wynikające z mutacji somatycznych wiążą się z niektórymi typami raka, guzami gruczołów sutkowych, okrężnicy, żołądka, wątroby i nerek.

Mutacje w mitochondrialnym DNA są również związane z rakami krwi, takimi jak białaczka i chłoniaki (rak komórek układu odpornościowego).

Specjaliści łączą mutacje somatyczne w mitochondrialnym DNA ze wzrostem produkcji reaktywnych form tlenu, czynników zwiększających uszkodzenia mitochondrialnego DNA i powodujących brak kontroli wzrostu komórek.

Niewiele wiadomo na temat tego, w jaki sposób te mutacje zwiększają niekontrolowany podział komórek i jak ostatecznie rozwijają się jako guzy rakowe.

Zespół cyklicznych wymiotów

Uważa się, że niektóre przypadki cyklicznych wymiotów, typowe dla dzieciństwa, są związane z mutacjami w mitochondrialnym DNA. Mutacje te powodują powtarzające się epizody nudności, wymiotów, zmęczenia lub letargu.

Naukowcy łączą te epizody wymiotów z faktem, że mitochondria z uszkodzonym mitochondrialnym DNA mogą wpływać na niektóre komórki autonomicznego układu nerwowego, wpływając na takie funkcje, jak tętno, ciśnienie krwi i trawienie.

Pomimo tych powiązań nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób zmiany w mitochondrialnym DNA powodują nawracające epizody zespołu cyklicznych wymiotów.

Bibliografia

1. Clayton, D. (2003). Replikacja mitochondrialnego DNA: co wiemy. IUBMB life, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikacja mitochondrialnego DNA w komórkach ssaków: przegląd szlaku. Essays in biochemistry, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM i Wallace, DC (1980). Dziedziczenie ludzkiego mitochondrialnego DNA po matce. Proceedings of the National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B i Chen, SM (2019). Odpowiedź Lutz-Bonengel i wsp .: Jest mało prawdopodobne, aby transmisja dwurodzicielskiego mtDNA była wynikiem jądrowych segmentów mitochondrialnego DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG i Suomalainen, A. (2019). Los mitochondriów ojca. Naturę, 565 (7739), 296-297.
6. National Library of Medicine. Strona główna Genetyka: przewodnik po zrozumieniu uwarunkowań genetycznych.
7. Shadel, GS i Clayton, DA (1997). Utrzymanie mitochondrialnego DNA u kręgowców. Annual review of biochemistry, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ i Snustad, DP (2006). Zasady genetyki. John Wiley & Sons.