MITOCHONDRIÁLNA DNA: CHARAKTERISTIKA, FUNKCIE, DEDIČNOSŤ, CHOROBY - BIOLÓGIE - 2026

Mitochondriálnej DNA je malá kruhová molekula DNA, ktorá sa nachádza vo vnútri týchto organel v eukaryotických bunkách. Tento malý genóm kóduje veľmi obmedzený počet proteínov a aminokyselín v mitochondriách. Názov „mitochondriálna DNA“ je v mnohých učebniciach a vedeckých článkoch skrátený ako „mtDNA“ alebo v angličtine „mtDNA“.

Mitochondrie sú esenciálnymi organelami pre eukaryotické bunky, pretože sú zodpovedné za premenu energie z potravy spotrebovanej vo forme cukrov na formu energie, ktorú môžu bunky použiť (napríklad ATP).

Mitochondriálna DNA (zdroj? Národný ústav pre výskum ľudského genómu, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Všetky bunky v eukaryotických organizmoch majú vo vnútri najmenej jeden mitochondrium. Existujú však také bunky, ako sú bunky srdcového svalu a bunky kostrového svalstva, ktoré môžu mať vo vnútri stovky mitochondrií.

Mitochondrie majú svoj vlastný prístroj na syntézu proteínov nezávislý od bunkového prístroja, s ribozómami, prenosovými RNA a aminoacyl RNA-transferázovou syntetázou z vnútra organely; hoci ribozomálna RNA je menšia ako RNA bunky, v ktorej sú umiestnené.

Takéto zariadenie vykazuje veľkú podobnosť s aparátom proteínovej syntézy baktérií. Ďalej, rovnako ako v prokaryotoch, je tento prístroj mimoriadne citlivý na antibiotiká, ale veľmi sa líši od syntézy proteínov v eukaryotických bunkách.

Pojem „mitochondria“ bol zavedený Bendom na konci 12. storočia a teória „endosymbiózy“ je najviac akceptovaná, pokiaľ ide o jej pôvod. Toto bolo publikované v roku 1967 Lynn Margulis, v Journal of Theoretical Biology.

Teória „endosymbiózy“ kladie pôvod mitochondrií pred miliónmi rokov. Predpokladá sa, že bunkový predchodca eukaryotických buniek „pohltil“ a do svojho metabolizmu začlenil bakteriálny organizmus, ktorý sa neskôr stal tým, čo dnes poznáme ako mitochondrie.

vlastnosti

U cicavcov je spravidla celý genóm, ktorý obsahuje mitochondriálnu DNA, usporiadaný do kruhového chromozómu s 15 000 až 16 000 pármi nukleotidov alebo, čo je rovnaké, s 15 až 16 Kb (kilobázy).

Vo väčšine mitochondrií môžete získať viac kópií mitochondriálneho chromozómu. V ľudských somatických bunkách (iných ako pohlavných bunkách) je bežné nájsť najmenej 100 kópií mitochondriálneho chromozómu.

Vo vyšších rastlinách (angiospermy) je mitochondriálna DNA zvyčajne oveľa väčšia, napríklad v kukuričnej rastline môže kruhový chromozóm mitochondriálnej DNA merať až 570 Kb.

Mitochondriálna DNA zaberá asi 1% celkovej DNA somatických buniek väčšiny stavovcov. Je to vysoko konzervovaná DNA v živočíšnej ríši, na rozdiel od toho, čo sa pozoruje v rastlinách, kde je veľká rozmanitosť.

V niektorých „obrovských“ eukaryotických bunkách, ako sú ovuly (ženské pohlavné bunky) cicavcov alebo v bunkách obsahujúcich veľa mitochondrií, môže mitochondriálna DNA tvoriť až 1/3 celkovej bunkovej DNA.

Mitochondriálna DNA má niektoré odlišné vlastnosti ako jadrová DNA: má odlišnú hustotu a pomer párov báz guanín-cytozín (GC) a adenín-tymín (AT).

Hustota párov báz GC v mitochondriálnej DNA je 1,68 g / cm3 a obsah je 21%; zatiaľ čo v jadrovej DNA je táto hustota 1,68 g / cm3 a obsah je okolo 40%.

Vlastnosti

Mitochondriálna DNA má najmenej 37 génov, ktoré sú nevyhnutné pre normálnu funkciu mitochondrií. Z tých 37, 13 majú informácie na produkciu enzýmov zapojených do oxidačnej fosforylácie.

Týchto 13 génov kóduje 13 polypeptidových zložiek enzýmových komplexov, ktoré patria do elektrónového transportného reťazca a sú umiestnené vo vnútornej membráne mitochondrií.

Napriek 13 polypeptidom, ktoré mitochondriálna DNA prispieva k elektrónovému transportnému reťazcu, je tvorená z viac ako 100 rôznych polypeptidov. Týchto 13 komponentov je však nevyhnutných pre oxidačnú fosforyláciu a reťazec prenosu elektrónov.

Schéma mitochondriálnej DNA (Zdroj: Mikibc ~ commonswiki, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Spomedzi 13 polypeptidov, ktoré sú syntetizované z mitochondriálnej DNA, vynikajú podjednotky I, II a III komplexu cytochrómovej oxidázy C a podjednotka VI pumpičiek ATPázy zabudovaných do vnútornej membrány organely.

Informácie potrebné na syntézu zvyšku zložiek, ktoré tvoria mitochondrie, sú kódované jadrovými génmi. Tieto sa syntetizujú v cytoplazme ako zvyšok bunkových proteínov a vďaka špecifickým signálom sa potom importujú do mitochondrií.

Pri oxidačnej fosforylácii sa atómy kyslíka a cukru, ako je glukóza, používajú na syntézu alebo tvorbu adenozíntrifosfátu (ATP), čo je chemický druh používaný všetkými bunkami ako zdroj energie.

Zostávajúce mitochondriálne gény majú inštrukcie na syntézu transferových RNA (tRNA), ribozomálnych RNA a enzýmu aminoacyl-RNA transferáza-syntetáza (tRNA), ktoré sú potrebné na syntézu proteínov v mitochondriách.

dedičstvo

Až donedávna sa predpokladalo, že mitochondriálna DNA sa prenáša výlučne prostredníctvom materského dedičstva, tj priamym zostupom od matky.

V článku uverejnenom Shiyu Luom a jeho kolegami v časopise Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických (PNAS) v januári 2019 sa však zistilo, že v zriedkavých prípadoch možno mitochondriálnu DNA dediť obaja rodičia, obaja otca ako matky.

Pred uverejnením tohto článku bolo pre vedcov faktom, že chromozóm Y a mitochondriálna DNA boli zdedené od otca a matky po potomstve.

„Neporušená“ dedičnosť génov Y chromozómu mitochondriálnych génov znamená, že uvedený genetický materiál neprechádza zmenami rekombináciou a v priebehu rokov sa líšia iba v dôsledku spontánnych mutácií, takže odchýlka je pomerne nízka. ,

Z tohto dôvodu sa väčšina štúdií o mobilizácii populácie uskutočňuje na základe týchto génov, pretože napríklad je ľahké pre genetikov zostaviť rodokmene pomocou mitochondriálnej DNA.

Mnoho ľudských dejín bolo rekonštruovaných prostredníctvom genetickej histórie mitochondriálnej DNA. Mnoho obchodných domov dokonca ponúka objasnenie rodinného puta každého žijúceho človeka so svojimi predkami pomocou techník, ktoré študujú tieto vlastnosti.

replikácie

Prvý model replikácie mitochondriálnej DNA navrhol Vinograd a spolupracovníci v roku 1972 a tento model je stále platný, s určitými zmenami. Model je vo všeobecnosti založený na jednosmernej replikácii, ktorá začína na dvoch rôznych začiatkoch replikácie.

Vedci klasifikujú mitochondriálny chromozóm na dva rôzne reťazce, ťažký reťazec, H alebo OH, z anglického „ťažkého“ a ľahkého reťazca, L alebo OL z anglického „ľahkého“. Tieto sú identifikované a umiestnené v dvoch nepriradených otvorených čítacích rámcoch (URF) na mitochondriálnom chromozóme.

Replikácia mitochondriálneho genómu začína v ťažkom reťazci (OH) a pokračuje v jednom smere, kým sa nevytvorí celá dĺžka ľahkého reťazca (OL). Následne sa naviažu proteíny nazývané „mitochondriálne jednovláknové proteíny viažuce DNA“, aby chránili reťazec, ktorý funguje ako „rodičovský“ alebo „templát“.

Enzýmy zodpovedné za vznik separácie (replikozóm) prechádzajú do svetelného pásu (OL) a vytvára sa slučková štruktúra, ktorá blokuje väzbu mitochondriálnych jednovláknových proteínov viažucich DNA.

V tejto slučke sa viaže mitochondriálna RNA polymeráza a začína sa syntéza nového priméru. K syntéze ťažkého reťazca (OH) dochádza neskôr o 25 nukleotidov.

Práve v čase prechodu na ťažký reťazec (OH) je mitochondriálna RNA polymeráza nahradená mitochondriálnou replikatívnou DNA polymerázou na 3 'konci, kde sa pôvodne začala replikácia.

Nakoniec syntéza obidvoch reťazcov, ťažkých (OH) a ľahkých (OL), prebieha nepretržite, až kým sa nevytvoria dve kompletné kruhové molekuly dvojvláknovej (dvojvláknovej) DNA.

Súvisiace choroby

Existuje mnoho chorôb spojených s poruchou mitochondriálnej DNA. Väčšina z nich je spôsobená mutáciami, ktoré poškodzujú sekvenciu alebo informácie obsiahnuté v genóme.

Strata sluchu v súvislosti so zvyšujúcim sa vekom

Jedným z najlepšie študovaných ochorení, ktoré priamo súvisia so zmenami v genóme mitochondriálnej DNA, je strata sluchu v dôsledku zvyšujúceho sa veku.

Tento stav je výsledkom genetických, environmentálnych a životných faktorov. Ako ľudia starnú, mitochondriálna DNA hromadí škodlivé mutácie, ako sú napríklad delécie, translokácie, inverzie a ďalšie.

Poškodenie mitochondriálnej DNA je spôsobené najmä hromadením reaktívnych druhov kyslíka, jedná sa o vedľajšie produkty výroby energie v mitochondriách.

Mitochondriálna DNA je obzvlášť zraniteľná, pretože nemá opravný systém. Preto zmeny spôsobené reaktívnymi druhmi kyslíka poškodzujú mitochondriálnu DNA a spôsobujú nefunkčnosť organely, čo spôsobuje bunkovú smrť.

Bunky vnútorného ucha majú vysoký dopyt po energii. Táto požiadavka ich robí obzvlášť citlivými na mitochondriálne poškodenie DNA. Tieto poškodenia môžu nezvratne zmeniť funkciu vnútorného ucha, čo vedie k úplnej strate sluchu.

rakoviny

Mitochondriálna DNA je zvlášť citlivá na somatické mutácie, mutácie, ktoré neboli zdedené od rodičov. Tieto typy mutácií sa vyskytujú v DNA niektorých buniek počas celého života človeka.

Existujú dôkazy, ktoré spájajú zmeny mitochondriálnej DNA v dôsledku somatických mutácií s určitými typmi rakoviny, nádorov v mliečnych žľazách, v hrubom čreve, v žalúdku, v pečeni a obličkách.

Mutácie v mitochondriálnej DNA boli tiež spojené s rakovinou krvi, ako je leukémia a lymfómy (rakovina buniek imunitného systému).

Špecialisti spájajú somatické mutácie v mitochondriálnej DNA so zvýšením produkcie reaktívnych druhov kyslíka, s faktormi, ktoré zvyšujú poškodenie mitochondriálnej DNA a spôsobujú nedostatok kontroly bunkového rastu.

O tom, ako tieto mutácie zvyšujú nekontrolované bunkové delenie buniek a ako sa nakoniec vyvíjajú ako rakovinové nádory, je málo známe.

Syndróm cyklického zvracania

Predpokladá sa, že niektoré prípady cyklického zvracania, typické pre detstvo, súvisia s mutáciami v mitochondriálnej DNA. Tieto mutácie spôsobujú opakujúce sa nevoľnosti, zvracanie a únavu alebo letargiu.

Vedci spájajú tieto epizódy zvracania so skutočnosťou, že mitochondrie s poškodenou mitochondriálnou DNA môžu ovplyvniť určité bunky autonómneho nervového systému a ovplyvniť také funkcie, ako sú srdcový rytmus, krvný tlak a trávenie.

Napriek týmto súvislostiam zatiaľ nie je jasné, ako zmeny v mitochondriálnej DNA spôsobujú opakujúce sa epizódy syndrómu cyklického zvracania.

Referencie

1. Clayton, D. (2003). Mitochondriálna replikácia DNA: čo vieme. IUBMB life, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikácia mitochondriálnej DNA v cicavčích bunkách: prehľad dráhy. Eseje v biochémii, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, a Wallace, DC (1980). Materské dedičstvo ľudskej mitochondriálnej DNA. Zborník Národnej akadémie vied, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B a Chen, SM (2019). Odpoveď Lutz-Bonengel a kol .: Prenos biparentálnej mtDNA pravdepodobne nebude výsledkom nukleárnych mitochondriálnych DNA segmentov. Zborník Národnej akadémie vied, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, a Suomalainen, A. (2019). Osud otcovej mitochondrie. Náture, 565 (7739), 296-297.
6. Národná lekárska knižnica. Genetika domov odkaz: váš sprievodca pochopenie genetických podmienok.
7. Shadel, GS, a Clayton, DA (1997). Údržba mitochondriálnej DNA na stavovcoch. Ročný prehľad biochémie, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ a Snustad, DP (2006). Základy genetiky. John Wiley a synovia.