Mitokondriaalinen DNA ( mtDNA ) on DNA :ta, joka löytyy (toisin kuin ydin - DNA) mitokondrioista , eukaryoottisolujen organelleista .
Mitokondrio-DNA:ssa koodatut geenit kuuluvat ytimen ( kromosomin ulkopuolella) sijaitsevien plasmogeenien ryhmään . Näiden solun sytoplasmaan keskittyneiden perinnöllisyystekijöiden kokonaisuus muodostaa tietyntyyppisen organismin plasmonin (toisin kuin genomin) [1] .
Margit Nass ja Sylvain Nass löysivät mitokondrio-DNA:n vuonna 1963 Tukholman yliopistossa käyttäen elektronimikroskopiaa [2] ja itsenäisesti tutkijat Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi ja Gottfried Schatz hiivan mitokondriofraktioiden biokemiallisessa analyysissä Wienin yliopistossa vuonna 1964 . . [3]
Endosymbioottisen teorian mukaan mitokondrio-DNA on peräisin bakteerien pyöreistä DNA-molekyyleistä ja siksi sillä on eri alkuperä kuin tuman genomilla . Nyt vallitsee näkökulma, jonka mukaan mitokondriot ovat monofyleettistä alkuperää, eli eukaryoottien esi-isät hankkivat ne vain kerran.
DNA-nukleotidisekvenssien samankaltaisuuden perusteella mitokondrioiden lähimmät sukulaiset elävien prokaryoottien joukossa ovat alfa-proteobakteerit (erityisesti oletettiin, että riketsiat ovat lähellä mitokondrioita ). Mitokondrioiden genomien vertaileva analyysi osoittaa, että evoluution aikana nykyaikaisten mitokondrioiden esi-isien geenit siirtyivät vähitellen solun ytimeen. Jotkut mitokondrioiden DNA:n piirteet jäävät selittämättömiksi evoluution näkökulmasta (esimerkiksi melko suuri määrä introneita , kolmosten epätavallinen käyttö ja muut). Mitokondrioiden genomin rajallisen koon vuoksi useimmat mitokondrioproteiinit koodataan ytimessä. Samaan aikaan mitokondrioiden genomi koodaa useimpia mitokondrioiden tRNA:ita.
Useimmissa tutkituissa organismeissa mitokondriot sisältävät vain pyöreitä DNA-molekyylejä, joissakin kasveissa on samanaikaisesti sekä pyöreitä että lineaarisia molekyylejä, ja useissa protisteissa (esimerkiksi väreissä ) on vain lineaarisia molekyylejä. [5]
Nisäkkään mitokondriot sisältävät tyypillisesti kahdesta kymmeneen identtistä kopiota pyöreistä DNA-molekyylistä. [6]
Kasveissa jokainen mitokondrio sisältää useita erikokoisia DNA-molekyylejä, jotka kykenevät rekombinoitumaan.
Kinetoplastidiluokan protisteilla (esimerkiksi trypanosomeissa ) mitokondrioiden erityinen osa ( kinetoplast ) sisältää kahden tyyppisiä DNA-molekyylejä - identtisiä maksirenkaita (20-50 kappaletta), joiden pituus on noin 21 kb. ja minirenkaat (20 000-55 000 kappaletta, noin 300 lajiketta, keskipituus noin 1 000 bp). Kaikki renkaat on kytketty yhteen verkkoon ( katenaanit ), joka tuhoutuu ja palautetaan jokaisen replikointisyklin yhteydessä. Maxi-renkaat ovat homologisia muiden organismien mitokondrio-DNA:n kanssa. Jokainen minirengas sisältää neljä samanlaista konservoitunutta aluetta ja neljä ainutlaatuista hypervariaabelia aluetta. [7] Lyhyt ohjaus-RNA-molekyylejä ( guideRNA ) on koodattu miniympyröissä, jotka muokkaavat maksirenkaiden geeneistä transkriptoitua RNA :ta.
Mitokondrioiden DNA on erityisen herkkä hengitysketjun tuottamille reaktiivisille happilajeille niiden läheisyyden vuoksi. Vaikka mitokondrioiden DNA liittyy proteiineihin, niiden suojaava rooli on vähemmän korostunut kuin ydin-DNA:n tapauksessa. Mitokondrioiden DNA:n mutaatiot voivat aiheuttaa äidin välityksellä tarttuvia perinnöllisiä sairauksia . On myös tietoa, joka viittaa mitokondrioiden DNA-mutaatioiden mahdolliseen osuuteen ikääntymisprosessissa ja ikään liittyvien patologioiden kehittymisessä. [8] Ihmisillä mitokondrio-DNA:ta on tyypillisesti läsnä 100-10 000 kopiota solua kohden ( siittiöt ja munat ovat poikkeuksia). Mitokondrioiden genomien moninaisuus liittyy mitokondrioiden sairauksien ilmenemismuodon ominaisuuksiin - yleensä niiden myöhäiseen alkamiseen ja hyvin vaihteleviin oireisiin.
Useimmissa monisoluisissa organismeissa mitokondrioiden DNA periytyy äidin kautta. Muna sisältää useita suuruusluokkaa enemmän kopioita mitokondrioiden DNA:sta kuin siittiö. Siittiössä ei yleensä ole enempää kuin tusina mitokondriota (ihmisillä yksi spiraalimaisesti kierretty mitokondrio), pienissä merisiilin munia - useita satoja tuhansia ja suurissa sammakon munasoluissa - kymmeniä miljoonia. Lisäksi siittiöiden mitokondriot yleensä hajoavat hedelmöityksen jälkeen [9] .
Sukupuolisen lisääntymisen aikana mitokondriot periytyvät yleensä yksinomaan äidin linjan kautta, siittiöiden mitokondriot yleensä tuhoutuvat hedelmöityksen jälkeen. Lisäksi suurin osa siittiöiden mitokondrioista sijaitsee siiman tyvessä , joka joskus katoaa hedelmöityksen aikana. Vuonna 1999 siittiöiden mitokondrioiden havaittiin olevan leimattu ubikitiinilla (leimaproteiini, joka johtaa isän mitokondrioiden tuhoutumiseen tsygootissa) [10] .
Koska mitokondrioiden DNA ei ole kovin konservoitunut ja sillä on korkea mutaationopeus , se on hyvä kohde elävien organismien fysiologian (evoluutiosuhteen) tutkimiseen. Tätä varten eri lajien mitokondrio-DNA:n sekvenssit määritetään ja verrataan erityisillä tietokoneohjelmilla ja saadaan tutkituille lajeille evoluutiopuu. Koirien mitokondrioiden DNA:n tutkiminen on mahdollistanut koirien alkuperän jäljittämisen luonnonvaraisista susista [11] . Ihmispopulaatioiden mitokondriaalisen DNA:n tutkiminen on mahdollistanut " mitokondriaalisen Eevan ", kaikkien tällä hetkellä elävien ihmisten hypoteettisen esi-isän, laskemisen.
Joidenkin lajien kohdalla mitokondrioiden DNA:n siirtymistä uroslinjan kautta on osoitettu esimerkiksi simpukoilla [12] [13] . Isän mitokondrioiden periytymistä on myös kuvattu joillekin hyönteisille , kuten Drosophila [14] mehiläisille [15] ja cicadas . [16]
On myös näyttöä mitokondrioiden urosperinnöstä nisäkkäillä. Hiirillä on kuvattu tällaisia perinnöllisiä tapauksia [17] [18] , jolloin uroksista saadut mitokondriot on myöhemmin hylätty. Tämä ilmiö on osoitettu lampailla [19] ja kloonatuilla nautakarjalla. [kaksikymmentä]
Isän perintö ihmisilläViime aikoihin asti uskottiin, että ihmisen mitokondriot periytyvät vain äidin linjan kautta. Vuonna 2002 tiedettiin vain yksi tapaus potilaasta, jolla todettiin luotettavasti isän mitokondrio-DNA [21] .
Vasta tuore 2018-tutkimus osoitti, että ihmisen mitokondrio-DNA voi joskus edelleen siirtyä isän linjan kautta. Pieni määrä isän mitokondrioita voi päästä äidin munasoluun siittiön sytoplasman mukana, mutta yleensä isän mitokondriot katoavat sitten tsygootista. On kuitenkin havaittu, että joillakin ihmisillä on "mutaatio, joka auttaa isän mitokondrioita selviytymään" [22] .
Nisäkkäillä jokainen mtDNA-molekyyli sisältää 15000-17000 emäsparia (ihmisillä 16565 emäsparia - tutkimus valmistui vuonna 1981 [23] , toisen lähteen mukaan 16569 emäsparia [24] ) ja sisältää 37 geeniä - [ 13 koodaa proteiinia 25] , 22- tRNA , 2- rRNA (yksi geeni 12S- ja 16S-rRNA:lle). Muilla monisoluisilla eläimillä on samanlainen joukko mitokondriogeenejä, vaikka jotkut geenit saattavat joskus puuttua. Eri kasvilajien, sienten ja erityisesti protistien [26] mtDNA-geenikoostumus eroaa huomattavasti enemmän. Täydellisin tunnetuista mitokondriogenomeista löydettiin Reclinomonas americana jakobidi-siimalasta : se sisältää 97 geeniä , mukaan lukien 62 geeniä, jotka koodaavat proteiineja (27 ribosomaalista proteiinia, 23 proteiinia, jotka osallistuvat elektroninkuljetusketjun toimintaan ja oksidatiiviseen fosforylaatioon , ja myös RNA-polymeraasin alayksiköt ).
Yhdessä pienimmistä mitokondrioiden genomeista on malariaplasmodium (noin 6 000 bp, sisältää kaksi rRNA-geeniä ja kolme proteiinia koodaavaa geeniä).
Joidenkin protistien äskettäin löydetyt vestigiaaliset mitokondriot ( mitosomit ) eivät sisällä DNA:ta.
Eri sienilajien mitokondriogenomit sisältävät emäspareja vuodesta 19431 (fissiohiiva Schizosaccharomyces pombe ) 100314:ään ( sordariomycete Podospora anserina ) [27] .
Joissakin kasveissa on valtavia mitokondrio-DNA-molekyylejä (jopa 25 miljoonaa emäsparia), jotka sisältävät suunnilleen samat geenit ja saman määrän kuin pienempi mtDNA. Mitokondrioiden DNA:n pituus voi vaihdella suuresti jopa saman perheen kasveissa. Kasvin mitokondrio-DNA sisältää ei-koodaavia toistuvia sekvenssejä.
Ihmisen genomi sisältää vain yhden promoottorin jokaista komplementaarista DNA-juostetta kohden [23] .
Ihmisen mitokondriogenomi koodaa seuraavia proteiineja ja RNA:ta:
Proteiinit tai RNA | Geenit |
NADH-dehydrogenaasi (kompleksi I) |
MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6 |
Koentsyymi Q – sytokromi c-reduktaasi/sytokromi b (kompleksi III) |
MT-CYB |
sytokromi c oksidaasi (kompleksi IV) |
MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3 |
ATP-syntaasi | MT-ATP6 , MT-ATP8 |
rRNA | MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S) |
tRNA | 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 |
Mitokondriogenomin koodaavilla sekvensseillä ( kodoneilla ) on joitain eroja yleismaailmallisen tuman DNA:n koodaaviin sekvensseihin verrattuna.
Siten AUA-kodoni mitokondriogenomissa koodaa metioniinia ( isoleusiinin sijasta tuman DNA:ssa), AGA- ja AGG-kodonit ovat terminaattorikodoneja (tuman DNA:ssa ne koodaavat arginiinia ) ja mitokondriogenomin UGA-kodoni koodaa tryptofaania [23] .
Tarkemmin sanottuna emme puhu mitokondrio-DNA:sta, vaan mRNA: sta , joka poistetaan (transkriptoidaan) tästä DNA:sta ennen proteiinisynteesin alkamista. Kodonin U tarkoittaa urasiilia , joka korvaa tymiinin , kun geeni transkriptoidaan RNA:ksi .
tRNA-geenien määrä (22 geeniä) on pienempi kuin tuman genomissa, jossa on 32 tRNA-geeniä [23] .
Ihmisen mitokondriogenomissa informaatio on niin keskittynyt, että pääsääntöisesti 3'-terminaalisia terminaattorikodoneja vastaavat nukleotidit poistetaan osittain mRNA:ta koodaavista sekvensseistä [23] .
Mitokondrioiden genomin tutkiminen on sen lisäksi, että sitä käytetään erilaisten fylogeneettisten teorioiden rakentamisessa, tärkein tunnistustyökalu . Tunnistautumismahdollisuus liittyy ihmisen mitokondriogenomissa esiintyviin ryhmä- ja jopa yksilöllisiin eroihin.
Mitokondrion DNA:han koodaaman sytokromi-c-oksidaasin alayksikön I geenialueen sekvenssiä käytetään laajalti projekteissa, jotka liittyvät eläinten DNA-viivakoodaukseen , eli määritettäessä, kuuluuko organismi tiettyyn taksoniin sen DNA:n lyhyiden markkerien perusteella [28] . [29] . Kasvien viivakoodauksessa käytetään pääasiassa kahden markkerin yhdistelmää plastidi-DNA:ssa [30] .
Shukhrat Mitalipovin ryhmä Oregonin yliopiston alkiosolujen ja geeniterapian keskuksessa on kehittänyt mitokondrioiden DNA-korvausmenetelmän perinnöllisten mitokondriosairauksien hoitoon. Nyt Isossa-Britanniassa tämän menetelmän kliiniset tutkimukset ovat alkaneet, ja ne ovat saaneet epävirallisen nimen "3-parent baby -tekniikka" - "lapsi kolmelta vanhemmalta". Tiedetään myös lapsen syntymästä Meksikossa tämän toimenpiteen seurauksena [31] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
Nukleiinihappotyypit _ | ||||
---|---|---|---|---|
Typpipitoiset emäkset | ||||
Nukleosidit | ||||
Nukleotidit | ||||
RNA | ||||
DNA | ||||
Analogit | ||||
Vektorityypit _ |
| |||
|