Mitokondrielt DNA

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 16. juli 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Mitokondrielt DNA ( mtDNA ) er DNA fundet (i modsætning til nuklear DNA) i mitokondrier , organellerne i eukaryote celler.

Generne kodet i mitokondrie-DNA tilhører gruppen af ​​plasmogener placeret uden for kernen (uden for kromosomet ). Helheden af ​​disse arvelighedsfaktorer, koncentreret i cellens cytoplasma , udgør plasmonen af ​​en given type organisme (i modsætning til genomet) [1] .

Opdagelseshistorie

Mitokondrielt DNA blev opdaget af Margit Nass og Sylvain Nass i 1963 ved Stockholms Universitet ved hjælp af elektronmikroskopi [2] og uafhængigt af forskerne Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi og Gottfried Schatz i den biokemiske analyse af gær mitokondrielle fraktioner ved Universitetet i Wien i 19644 . . [3]

Teorier om mitokondrie-DNA's oprindelse

Ifølge den endosymbiotiske teori stammer mitokondrielt DNA fra bakteriers cirkulære DNA-molekyler og har derfor en anden oprindelse end kernegenomet . Nu hersker synspunktet, ifølge hvilket mitokondrier er af monofyletisk oprindelse, det vil sige, at de kun blev erhvervet af eukaryotes forfædre én gang.

Baseret på ligheden i DNA-nukleotidsekvenser er de nærmeste slægtninge til mitokondrier blandt levende prokaryoter alfa-proteobakterier (især blev det antaget, at rickettsia er tæt på mitokondrier ). En sammenlignende analyse af mitokondrielle genomer viser, at generne fra de moderne mitokondriers forfædre i løbet af evolutionen gradvist flyttede ind i cellekernen. Nogle træk ved mitokondrielt DNA forbliver uforklarlige fra et evolutionært synspunkt (for eksempel et ret stort antal introner , ukonventionel brug af tripletter og andre). På grund af den begrænsede størrelse af det mitokondrielle genom, er de fleste mitokondrielle proteiner kodet i kernen. Samtidig er de fleste af de mitokondrielle tRNA'er kodet af mitokondrielle genom.

Former og antal af mitokondrielle DNA-molekyler

I de fleste undersøgte organismer indeholder mitokondrier kun cirkulære DNA-molekyler, i nogle planter er både cirkulære og lineære molekyler til stede på samme tid, og i en række protister (f.eks. ciliater ) er der kun lineære molekyler. [5]

Pattedyrs mitokondrier indeholder typisk to til ti identiske kopier af cirkulære DNA-molekyler. [6]

I planter indeholder hver mitokondrier flere DNA-molekyler af forskellige størrelser, der er i stand til rekombination.

Hos protister fra kinetoplastidordenen (for eksempel i trypanosomer ) indeholder et særligt afsnit af mitokondrierne ( kinetoplast ) to typer DNA-molekyler - identiske maxi-ringe (20-50 stykker) omkring 21 kb lange. og miniringe (20.000-55.000 stykker, ca. 300 varianter, gennemsnitlig længde ca. 1000 bp). Alle ringe er forbundet i et enkelt netværk ( catenanes ), som ødelægges og gendannes med hver replikationscyklus. Maxi-ringe er homologe med mitokondrielle DNA fra andre organismer. Hver miniring indeholder fire ens bevarede regioner og fire unikke hypervariable regioner. [7] Short guide RNA molekyler ( guideRNA ) er kodet i minicirklerne, som redigerer RNA'et transskriberet fra maxicirklernes gener.

Mitokondriel DNA-stabilitet

Mitokondrielt DNA er særligt følsomt over for reaktive iltarter, der genereres af luftvejskæden på grund af deres tætte nærhed. Selvom mitokondrielt DNA er forbundet med proteiner, er deres beskyttende rolle mindre udtalt end i tilfældet med nuklear DNA. Mutationer i mitokondrie-DNA kan forårsage arvelige sygdomme, der overføres hos moderen . Der er også data, der indikerer et muligt bidrag fra mitokondrielle DNA-mutationer til aldringsprocessen og udviklingen af ​​aldersrelaterede patologier. [8] Hos mennesker er mitokondrie-DNA typisk til stede i 100-10.000 kopier pr. celle ( sæd og æg er undtagelser). Mangfoldigheden af ​​mitokondrielle genomer er forbundet med funktionerne i manifestationen af ​​mitokondrielle sygdomme  - normalt deres sene indtræden og meget varierende symptomer.

Mitokondriel arv

Mors arv

I de fleste flercellede organismer nedarves mitokondrie-DNA moderligt. Ægget indeholder flere størrelsesordener flere kopier af mitokondrielt DNA end sæden. I en spermatozon er der normalt ikke mere end et dusin mitokondrier (hos mennesker - en spiral snoet mitokondrier), i små søpindsvinæg - flere hundrede tusinde, og i store frøoocytter - titusindvis af millioner. Derudover undergår sædmitokondrier sædvanligvis nedbrydning efter befrugtning [9] .

Under seksuel reproduktion nedarves mitokondrier normalt udelukkende gennem moderlinjen, sædmitokondrier ødelægges normalt efter befrugtning. Derudover er de fleste af spermatozonernes mitokondrier placeret ved bunden af ​​flagellen , som nogle gange går tabt under befrugtning. I 1999 viste det sig, at sæd-mitokondrier var mærket med ubiquitin (et mærkeprotein, der fører til ødelæggelsen af ​​paternelle mitokondrier i zygoten) [10] .

Da mitokondrie-DNA ikke er meget konserveret og har en høj mutationshastighed , er det et godt objekt til at studere levende organismers fylogeni (evolutionære forhold). For at gøre dette bestemmes sekvenserne af mitokondrielt DNA i forskellige arter og sammenlignes ved hjælp af specielle computerprogrammer, og der opnås et evolutionært træ for den undersøgte art. Undersøgelsen af ​​mitokondrielt DNA fra hunde har gjort det muligt at spore oprindelsen af ​​hunde fra vilde ulve [11] . Studiet af mitokondrielt DNA i menneskelige populationer har gjort det muligt at beregne " mitokondriel Eva ", den hypotetiske stamfader til alle nulevende mennesker.

Faderlig arv

For nogle arter er transmission af mitokondrie-DNA gennem han-linjen blevet vist , for eksempel i muslinger [12] [13] . Faderlig mitokondriel arv er også blevet beskrevet for nogle insekter, såsom Drosophila , [14] honningbier [15] og cikader . [16]

Der er også tegn på mitokondriel mandlig arv hos pattedyr. Tilfælde af sådan arv hos mus er blevet beskrevet [17] [18] , hvor mitokondrier opnået fra hannen efterfølgende er blevet afvist. Dette fænomen er blevet påvist for får [19] og klonede kvæg. [tyve]

Faderlig arv hos mennesker

Indtil for nylig blev det antaget, at menneskelige mitokondrier kun nedarves gennem moderlinjen. Der var kun ét kendt tilfælde af en patient, som pålideligt blev fundet at have paternal mitokondrie-DNA i 2002 [21] .

Kun en nylig undersøgelse fra 2018 viste, at menneskeligt mitokondrie-DNA nogle gange stadig kan overføres gennem faderlinjen. En lille mængde paternelle mitokondrier kan trænge ind i moderens æg sammen med sædcytoplasmaet, men som regel forsvinder paternal mitokondrier fra zygoten. Det har dog vist sig, at nogle mennesker har "en mutation, der hjælper faderens mitokondrier til at overleve" [22] .

Mitokondrielt genom

Hos pattedyr indeholder hvert mtDNA-molekyle 15.000-17.000 basepar (i mennesker, 16.565 basepar - undersøgelsen blev afsluttet i 1981 [23] , ifølge en anden kilde 16.569 basepar [24] ) og indeholder 37 gener - [13 koder for proteiner - [ 13] 25] , 22- tRNA , 2- rRNA (et gen for 12S og 16S rRNA). Andre flercellede dyr har et lignende sæt mitokondrielle gener, selvom nogle gener nogle gange kan mangle. mtDNA-gensammensætningen af ​​forskellige plantearter, svampe og især protister [26] adskiller sig mere signifikant. Således blev det mest komplette af de kendte mitokondrielle genomer fundet i Jacobid flagellaten Reclinomonas americana : det indeholder 97 gener , herunder 62 gener, der koder for proteiner (27 ribosomale proteiner, 23 proteiner involveret i driften af ​​elektrontransportkæden og i oxidativ fosforylering , og også underenheder af RNA-polymerase ).

Et af de mindste mitokondrielle genomer har malariaplasmodium (ca. 6.000 bp, indeholder to rRNA-gener og tre proteinkodende gener).

De nyligt opdagede vestigiale mitokondrier ( mitosomer ) fra nogle protister ( amøbedysenteri , mikrosporidier og giardia ) indeholder ikke DNA.

Mitokondrielle genomer af forskellige svampearter indeholder fra 19431 (fissionsgær Schizosaccharomyces pombe ) til 100314 ( sordariomycete Podospora anserina ) basepar [27] .

Nogle planter har enorme mitokondrielle DNA-molekyler (op til 25 millioner basepar), der indeholder omtrent de samme gener og i samme mængde som mindre mtDNA. Længden af ​​mitokondrielt DNA kan variere meget, selv i planter af samme familie. Plante mitokondrie DNA indeholder ikke-kodende gentagne sekvenser.

Det humane genom indeholder kun én promotor for hver komplementær DNA-streng [23] .

Det humane mitokondrielle genom koder for følgende proteiner og RNA:

Proteiner eller RNA Gener
NADH dehydrogenase
(kompleks I)		 MT -ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Coenzym Q - cytokrom c reduktase/cytokrom b
(kompleks III)		 MT-CYB
cytochrom c oxidase
(kompleks IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP syntase 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

Funktioner af mitokondrielt DNA

De kodende sekvenser ( kodoner ) af mitokondriegenomet har nogle forskelle fra de kodende sekvenser af det universelle nukleare DNA.

Således koder AUA-kodonet i mitokondriegenomet for methionin (i stedet for isoleucin i nuklear DNA), AGA- og AGG-kodonerne er terminatorkodoner (i nuklear DNA koder de for arginin ), og UGA-kodonen i mitokondriegenomet koder for tryptofan [23] .

For at være mere præcis taler vi ikke om mitokondrie-DNA, men om mRNA , som afskrives (transskriberes) fra dette DNA, før proteinsyntesen begynder. U'et i kodonbetegnelsen står for uracil , som erstatter thymin , når genet transskriberes til RNA .

Antallet af tRNA-gener (22 gener) er mindre end i kernegenomet med dets 32 tRNA-gener [23] .

I det humane mitokondrielle genom er informationen så koncentreret, at nukleotider svarende til de 3'-terminale terminatorkodoner som regel er delvist deleteret i mRNA-kodende sekvenser [23] .

Ansøgning

Ud over at blive brugt i konstruktionen af ​​forskellige fylogenetiske teorier, er studiet af mitokondrielle genom det vigtigste værktøj til identifikation . Muligheden for identifikation er forbundet med gruppe- og endda individuelle forskelle, der eksisterer i det humane mitokondrielle genom.

Sekvensen af ​​cytochrom c-oxidase-underenhed I-genregionen, kodet i mitokondrie-DNA, bruges i vid udstrækning i projekter relateret til DNA-stregkodning af dyr, dvs. at bestemme om en organisme tilhører en bestemt taxon baseret på korte markører i dens DNA [28] [29] . Til plantestregkodning anvendes hovedsageligt en kombination af to markører i plastid-DNA [30] .

Shukhrat Mitalipovs gruppe ved Center for Embryonale Celler og Genterapi ved University of Oregon har udviklet en mitokondriel DNA-erstatningsmetode til behandling af arvelige mitokondrielle sygdomme. Nu i Storbritannien er kliniske forsøg med denne metode begyndt, som har fået det uofficielle navn "3-parent baby technique" - "et barn fra tre forældre." Det er også kendt om fødslen af ​​et barn i Mexico som følge af denne procedure [31] .

Noter

  1. ↑ Jinks, D., Ikke-kromosomal arv, trans. fra engelsk, M., 1966; Sadger R., Gener uden for kromosomerne, i: Molecules and Cells, trans. fra engelsk, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963 ved Wenner-Grens Institut for Eksperimentel Biologi, Stockholms Universitet , Stockholm , Sverige ): Intramitochondriale fibre med DNA-karakteristika Arkiveret 10. september 2008 på Wayback Machine (PDF). I: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy og Gottfried Schatz (1964 ved Institut for Biokemi ved det medicinske fakultet ved Universitetet i Wien i Wien , Østrig ): "Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria" (PDF) Biochem. Biofys. Res. commun. 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR Den funktionelle organisation af mitokondrielle genomer i humane celler  // BMC Biol  . : journal. - 2004. - Bd. 2 . — S. 9 . - doi : 10.1186/1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. Overraskelser af mitokondriegenomet. Priroda, 2002, N 6 . Hentet 18. maj 2014. Arkiveret fra originalen 28. juli 2012.
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Tælling af målmolekyler ved eksponentiel polymerasekædereaktion, kopiantal af mitokondrielt DNA i rottevæv  //  Biochim Biophys Acta. : journal. - 1992. - Bd. 183 . - S. 553-559 . — PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (downlink) . Hentet 11. maj 2009. Arkiveret fra originalen 31. marts 2011. 
  8. ↑ Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitokondrielt DNA og aldring (neopr.)  // Klinisk videnskab. - 2004. - Juli ( bind 107 , nr. 4 ). - S. 355-364 . - doi : 10.1042/CS20040148 . — PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chentsov Yu. S. Generel Cytologi. - 3. udg. - Moscow State University, 1995. - 384 s. — ISBN 5-211-03055-9 .
  10. ↑ Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin tag for sperm mitokondrier  (engelsk)  // Nature . nov. 25, 1999. Vol. 402 . - s. 371-372 . - doi : 10.1038/46466 . — PMID 10586873 . Diskuteret i [1] Arkiveret 19. december 2007 på Wayback Machine
  11. ↑ Vilà C., Savolainen P., Maldonado JE og Amorin IR Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog  // Science  :  journal. - 1997. - 13. juni ( bind 276 ). - S. 1687-1689 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.276.5319.1687 . — PMID 9180076 .
  12. ↑ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM Heteroplasmy foreslår begrænset biparental arv af Mytilus mitokondrielle DNA  //  Science : journal. - 1991. - Bd. 251 . - S. 1488-1490 . - doi : 10.1126/science.1672472 . — PMID 1672472 .
  13. ↑ Penman, Danny . Mitokondrier kan arves fra begge forældre , NewScientist.com  (23. august 2002). Arkiveret fra originalen den 11. oktober 2008. Hentet 5. februar 2008.
  14. ↑ Kondo R., Matsuura ET, Chigusa SI Yderligere observation af faderlig transmission af Drosophila mitokondrie-DNA ved PCR-selektiv amplifikationsmetode   // Genet . Res. : journal. - 1992. - Bd. 59 , nr. 2 . - S. 81-4 . — PMID 1628820 .
  15. ↑ Meusel MS, Moritz RF Overførsel af paternal mitokondrie-DNA under befrugtning af honningbi-æg (Apis mellifera L.)  //  Curr. Genet. : journal. - 1993. - Bd. 24 , nr. 6 . - s. 539-543 . - doi : 10.1007/BF00351719 . — PMID 8299176 .
  16. ↑ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C. Beviser for faderlig lækage i hybride periodiske cikader (Hemiptera: Magicicada spp.)  (spansk)  // PLoS One. : dagbog. - 2007. - V. 9 . —P.e892 . _ - doi : 10.1371/journal.pone.0000892 .
  17. ↑ Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson AC Faderlig arv af mitokondrielt DNA i mus   // Nature . - 1991. - Bd. 352 , nr. 6332 . - S. 255-257 . - doi : 10.1038/352255a0 . — PMID 1857422 .
  18. ↑ Shitara H., Hayashi JI, Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal nedarvning af muse-mtDNA i interspecifikke hybrider: adskillelse af det lækkede paternale mtDNA efterfulgt af forebyggelse af efterfølgende paternal lækage  //  Genetics : journal. - 1998. - Bd. 148 , nr. 2 . - s. 851-857 . — PMID 9504930 .
  19. ↑ Zhao X., Li N., Guo W., et al . Yderligere beviser for faderlig nedarvning af mitokondrielt DNA hos fårene (Ovis aries  )  // Arvelighed : journal. - 2004. - Bd. 93 , nr. 4 . - S. 399-403 . - doi : 10.1038/sj.hdy.6800516 . — PMID 15266295 .
  20. ↑ Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J., et al . Sammensætning af parentalt mitokondrielt DNA i klonede bovine embryoner  (engelsk)  // FEBS Lett. : journal. - 1998. - Bd. 426 , nr. 3 . - S. 352-356 . - doi : 10.1016/S0014-5793(98)00350-0 . — PMID 9600265 .
  21. ↑ Schwartz M., Vissing J. Faderlig arv af mitokondrielt DNA   // N. Engl . J. Med.  : journal. - 2002. - Bd. 347 , nr. 8 . - S. 576-580 . - doi : 10.1056/NEJMoa020350 . — PMID 12192017 .
  22. ↑ Mitokondrielt DNA kan overføres gennem den faderlige linje • Polina Loseva • Videnskabsnyheder om elementer • Genetik, mikrobiologi . Hentet 24. december 2018. Arkiveret fra originalen 24. december 2018.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Ayala F. D. Moderne genetik. 1987.
  24. ↑ Arkiveret kopi (link ikke tilgængeligt) . Hentet 10. oktober 2009. Arkiveret fra originalen 13. august 2011. 
  25. ↑ Danilenko N. G., Davydenko O. G. - Organellegenomers verdener
  26. ↑ MW Gray, BF Lang, R Cedergren, GB Golding, C Lemieux, D Sankoff, M Turmel, N Brossard, E Delage, TG Littlejohn, I Plante, P Rioux, D Saint-Louis, Y Zhu og G Burger. Genomstruktur og genindhold i protist-mitokondrielle  DNA'er  // Nukleinsyreforskning : journal. - 1998. - Bd. 26 . - s. 865-878 . http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 Arkiveret 29. august 2008 på Wayback Machine
  27. ↑ Dyakov Yu. T., Shnyreva A. V., Sergeev A. Yu. Introduktion til svampes genetik . - M. : udg. Center "Academy", 2005. - S.  52 . — ISBN 5-7695-2174-0 .
  28. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biologiske identifikationer gennem DNA-stregkoder  //  Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. - 2003-02-07. — Bd. 270 , iss. 1512 . - s. 313-321 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . Arkiveret fra originalen den 19. april 2016.
  29. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 år siden introduktionen af ​​DNA-stregkodning: fra teori til anvendelse  // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. - T. 55 , no. 1 . - S. 43-52 . — ISSN 2190-3883 . - doi : 10.1007/s13353-013-0180-y .
  30. ↑ CBOL Plant Working Group1, Peter M. Hollingsworth, Laura L. Forrest, John L. Spouge, Mehrdad Hajibabaei. En DNA-stregkode for landplanter  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences . - National Academy of Sciences , 2009-08-04. — Bd. 106 , udg. 31 . - P. 12794-12797 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0905845106 . Arkiveret fra originalen den 24. maj 2016.
  31. ↑ Alla Astakhova. Fint arbejde - 2 . Sundhedsblog (22. august 2017). Hentet 23. august 2017. Arkiveret fra originalen 23. august 2017.

Links

Se også

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 Nukleinsyretyper _
Nitrogenholdige baser
Nukleosider
Nukleotider
RNA
DNA
Analoger
Vektortyper _