MITOHONDRIJU DNS: RAKSTUROJUMS, FUNKCIJAS, MANTOJUMS, SLIMĪBAS - BIOLOĢIJA - 2025

Mitohondriju DNS ir mazas cirkulāras DNS molekula, kas atrodas iekšpusē šiem organellām in eikariotu šūnās. Šis mazais genoms kodē ļoti ierobežotu skaitu olbaltumvielu un aminoskābju mitohondrijos. Parasti ir atrodams nosaukums "mitohondriju DNS", kas daudzās mācību grāmatās un zinātniskajos rakstos ir saīsināts kā "mtDNA" vai angļu valodā "mtDNA".

Mitohondriji ir svarīgi eikariotu šūnu organoīdi, jo tie ir atbildīgi par cukura, kas patērēts no pārtikas, enerģiju pārveidot enerģijas veidā, ko šūnas var izmantot (piemēram, ATP).

Mitohondriju DNS (avots? Nacionālais cilvēka genoma pētījumu institūts, izmantojot Wikimedia Commons)

Visās eikariotisko organismu šūnās ir vismaz viens mitohondrijs. Tomēr ir tādas šūnas kā sirds muskuļa šūnas un skeleta muskuļu šūnas, kuru iekšpusē var būt simtiem mitohondriju.

Mitohondrijiem ir savs olbaltumvielu sintēzes aparāts, kas nav atkarīgs no šūnu aparāta, ar ribosomām, pārneses RNS un aminoacil RNS transferāzes-sintetāzi no organelles iekšpuses; kaut arī ribosomu RNS ir mazāka nekā šūnai, kurā tās atrodas.

Šāds aparāts parāda lielu līdzību ar baktēriju olbaltumvielu sintēzes aparātu. Turklāt, tāpat kā prokariotos, šis aparāts ir ārkārtīgi jutīgs pret antibiotikām, taču ļoti atšķirīgs no olbaltumvielu sintēzes eikariotu šūnās.

Terminu "mitohondriji" Benda ieviesa 12. gadsimta beigās, un par tā izcelsmi visplašāk tiek akceptēta "endosimbiozes" teorija. To 1967. gadā publicēja Lins Margulis žurnālā Theoretical Biology.

"Endosimbiozes" teorija mitohondriju pirmsākumus izceļ pirms miljoniem gadu. Tiek teorēts, ka eukariotu šūnu priekštečs “piesūcās” un savā metabolismā iekļāva baktērijām līdzīgu organismu, kas vēlāk kļuva par to, ko mēs tagad pazīstam kā mitohondrijus.

raksturojums

Zīdītājiem parasti viss genoms, kas satur mitohondriju DNS, tiek organizēts apļveida hromosomā ar 15 000 līdz 16 000 nukleotīdu pāriem vai, kas ir tas pats, no 15 līdz 16 Kb (kilobāzes).

Lielākajā daļā mitohondriju var iegūt vairākas mitohondriju hromosomas kopijas. Cilvēka somatiskajās šūnās (bez dzimuma šūnām) ir ierasts atrast vismaz 100 mitohondriju hromosomas kopijas.

Augstākajos augos (angiosperms) mitohondriju DNS parasti ir daudz lielāks, piemēram, kukurūzas augā mitohondriju DNS apļveida hromosomas var izmērīt līdz 570 Kb.

Mitohondriju DNS aizņem apmēram 1% no visu mugurkaulnieku dzīvnieku somatisko šūnu kopējā DNS. Pretstatā tam, ko novēro augos, kur ir plaša daudzveidība, tā ir ļoti konservēta DNS dzīvnieku valstībā.

Dažās "milzu" eikariotu šūnās, piemēram, zīdītāju olšūnās (sieviešu dzimuma šūnās), vai šūnās, kurās ir daudz mitohondriju, mitohondriju DNS var veidot līdz 1/3 no kopējās šūnu DNS.

Mitohondriju DNS ir dažas atšķirīgas īpašības nekā kodola DNS: tai ir atšķirīgs guanīna-citozīna (GC) un adenīna-timīna (AT) bāzes pāru blīvums un attiecība.

GC bāzes pāra blīvums mitohondriju DNS ir 1,68 g / cm3 un saturs ir 21%; kamēr kodolā DNS šis blīvums ir 1,68 g / cm3 un saturs ir aptuveni 40%.

Iespējas

Mitohondriju DNS ir vismaz 37 gēni, kas ir nepieciešami normālai mitohondriju darbībai. No tiem 37, 13 ir informācija, lai ražotu fermentus, kas iesaistīti oksidatīvā fosforilēšanā.

Šie 13 gēni kodē 13 enzīmu kompleksu polipeptīdu komponentus, kas pieder pie elektronu transporta ķēdes un atrodas mitohondriju iekšējā membrānā.

Neskatoties uz 13 polipeptīdiem, kas mitohondriju DNS veicina elektronu transportēšanas ķēdi, to veido vairāk nekā 100 dažādu polipeptīdu. Tomēr šie 13 komponenti ir nepieciešami oksidatīvajai fosforilēšanai un elektronu transportēšanas ķēdei.

Mitohondriju DNS shēma (Avots: Mikibc ~ commonswiki, izmantojot Wikimedia Commons)

Starp 13 polipeptīdiem, kas sintezēti no mitohondriju DNS, izceļas citohroma C oksidāzes kompleksa I, II un III subvienība un Anetazes sūkņu VI apakšvienība, kas iestrādāta organelle iekšējā membrānā.

Informāciju, kas nepieciešama pārējo mitohondriju veidojošo komponentu sintēzei, kodē kodolgēni. Tie tiek sintezēti citoplazmā, tāpat kā pārējie šūnu proteīni, un pēc tam, pateicoties specifiskiem signāliem, tiek importēti mitohondrijos.

Oksidācijas fosforilēšanā skābekļa un cukura atomus, piemēram, glikozi, izmanto adenozīntrifosfāta (ATP), kas ir ķīmiskās sugas, kuras visas šūnas izmanto kā enerģijas avotu, sintēzei vai veidošanai.

Atlikušajiem mitohondriju gēniem ir instrukcijas pārnešanas RNS (tRNS), ribosomu RNS un enzīma aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA) sintezēšanai, kas nepieciešami olbaltumvielu sintēzei mitohondrijos.

Mantojums

Vēl salīdzinoši nesen tika uzskatīts, ka mitohondriju DNS tiek pārraidīts tikai mātes mantojuma ceļā, tas ir, tieši no mātes nokāpjot.

Tomēr rakstā, ko Shiyu Luo un kolēģi publicēja žurnālā Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2019. gada janvārī, tika konstatēts, ka retos gadījumos mitohondriju DNS var mantot no abiem vecākiem, abiem no tēva kā no mātes.

Pirms šī raksta publicēšanas zinātniekiem bija fakts, ka Y hromosoma un mitohondriju DNS tika mantoti neskarti attiecīgi no tēva un mātes pēcnācējiem.

Mitohondriju gēnu Y neskartas gēnu mantojums nozīmē, ka minētais ģenētiskais materiāls rekombinācijas laikā netiek pakļauts izmaiņām un gadu gaitā mainās tikai spontānu mutāciju dēļ, tāpēc variācijas ir diezgan zemas .

Tādēļ lielākā daļa iedzīvotāju mobilizācijas pētījumu tiek veikti, pamatojoties uz šiem gēniem, jo, piemēram, ģenētiķiem ir viegli izveidot ciltskokus, izmantojot mitohondriju DNS.

Liela daļa cilvēces vēstures ir rekonstruēta, izmantojot mitohondriju DNS ģenētisko vēsturi. Daudzas biznesa mājas pat piedāvā noskaidrot katras dzīvas personas ģimenes saikni ar senčiem, izmantojot paņēmienus, kas pēta šīs īpašības.

Replikācija

Pirmo mitohondriju DNS replikācijas modeli 1972. gadā ierosināja Vinograda un līdzstrādnieki, un šis modelis joprojām ir spēkā ar dažām izmaiņām. Kopumā modeļa pamatā ir vienvirziena replikācija, kas sākas ar diviem dažādiem replikācijas avotiem.

Zinātnieki klasificē mitohondriju hromosomu divās dažādās ķēdēs, smagajā ķēdē, H vai OH, no angļu valodas "smagā" un vieglajā ķēdē, L vai OL no angļu valodas "gaismā". Tie tiek identificēti un atrodas divos nepiešķirtos atvērtā lasīšanas rāmī (URF) mitohondriju hromosomā.

Mitohondriju genoma replikācija sākas smagajā ķēdē (OH) un turpinās vienā virzienā, līdz tiek iegūts vieglas ķēdes (OL) pilnā garumā. Pēc tam olbaltumvielas, ko sauc par "mitohondrijiem vienpavediena DNS saistošajiem proteīniem", tiek piestiprinātas, lai aizsargātu ķēdi, kas darbojas kā "mātes" vai "šablons".

Fermenti, kas ir atbildīgi par atdalīšanu, lai notiktu replikācija (replikakosoma), pāriet uz gaismas joslu (OL), un veidojas cilpas struktūra, kas bloķē mitohondriju vienpavedienu DNS saistošo proteīnu saistīšanos.

Šajā cilpā saistās mitohondriju RNS polimerāze un sākas jaunā grunts sintēze. Pāreja uz smago ķēžu (OH) sintēzi notiek vēlāk par 25 nukleotīdiem.

Tieši pārejas laikā uz smago ķēdi (OH) mitohondriju RNS polimerāze tiek aizstāta ar mitohondriju replikācijas DNS polimerāzi 3 ’galā, kur sākotnēji sākās replikācija.

Visbeidzot, abu ķēžu, gan smago (OH), gan vieglo (OL), sintēze notiek nepārtraukti, līdz veidojas divas pilnīgas apļveida divkāršu (divpavedienu) DNS molekulas.

Saistītās slimības

Ir daudzas slimības, kas saistītas ar mitohondriju DNS nepareizu darbību. Lielāko daļu izraisa mutācijas, kas sabojā secību vai informāciju, kas atrodas genomā.

Dzirdes zudums attiecībā pret pieaugošo vecumu

Viena no vislabāk izpētītajām slimībām, kas tieši saistīta ar mitohondriju DNS genoma izmaiņām, ir dzirdes zudums vecuma dēļ.

Šis nosacījums ir ģenētisko, vides un dzīvesveida faktoru produkts. Cilvēkam novecojot, mitohondriju DNS uzkrāj kaitīgas mutācijas, piemēram, dzēšanas, translokācijas, inversijas un daudz ko citu.

Mitohondriju DNS bojājumus galvenokārt rada reaktīvo skābekļa sugu uzkrāšanās, tie ir enerģijas ražošanas blakusprodukti mitohondrijos.

Mitohondriju DNS ir īpaši neaizsargāti pret bojājumiem, jo ​​tiem nav labošanas sistēmas. Tāpēc izmaiņas, ko rada reaktīvās skābekļa sugas, sabojā mitohondriju DNS un izraisa orgānu darbības traucējumus, izraisot šūnu nāvi.

Iekšējās auss šūnām ir liels enerģijas pieprasījums. Šis pieprasījums padara viņus īpaši jutīgus pret mitohondriju DNS bojājumiem. Šie bojājumi var neatgriezeniski mainīt iekšējās auss darbību, izraisot pilnīgu dzirdes zudumu.

Vēzis

Mitohondriju DNS ir īpaši jutīga pret somatiskajām mutācijām, mutācijām, kuras nav mantotas no vecākiem. Šāda veida mutācijas notiek dažu šūnu DNS visā cilvēka dzīvē.

Ir pierādījumi, kas sasaista mitohondriju DNS izmaiņas, kas rodas somatisko mutāciju rezultātā, ar noteiktiem vēža veidiem, audzējiem piena dziedzeros, resnajā zarnā, kuņģī, aknās un nierēs.

Mitohondriju DNS mutācijas ir saistītas arī ar asins vēzi, piemēram, leikēmiju, un limfomām (imūnsistēmas šūnu vēzis).

Speciālisti saista somatiskās mutācijas mitohondriju DNS ar reaktīvo skābekļa sugu ražošanas palielināšanos, faktoriem, kas palielina mitohondriju DNS bojājumus un rada kontroles trūkumu šūnu augšanā.

Maz ir zināms par to, kā šīs mutācijas palielina nekontrolētu šūnu dalīšanos šūnās un kā tās galu galā attīstās kā vēža audzēji.

Cikliskās vemšanas sindroms

Tiek uzskatīts, ka daži cikliskas vemšanas gadījumi, kas raksturīgi bērnībā, ir saistīti ar mitohondriju DNS mutācijām. Šīs mutācijas izraisa atkārtotas nelabuma, vemšanas un noguruma vai letarģijas epizodes.

Zinātnieki šīs vemšanas epizodes saista ar faktu, ka mitohondriji ar bojātu mitohondriju DNS var ietekmēt noteiktas autonomās nervu sistēmas šūnas, ietekmējot tādas funkcijas kā sirdsdarbība, asinsspiediens un gremošana.

Neskatoties uz šīm asociācijām, vēl nav skaidrs, kā izmaiņas mitohondriju DNS izraisa atkārtotas cikliskās vemšanas sindroma epizodes.

Atsauces

1. Kleitons, D. (2003). Mitohondriju DNS replikācija: tas, ko mēs zinām. IUBMB dzīve, 55 (4–5), 213–217.
2. Falkenbergs, M. (2018). Mitohondriju DNS replikācija zīdītāju šūnās: ceļa pārskats. Esejas bioķīmijā, 62 (3), 287.-296.
3. Džīls, RE, Blanks, H., Kanns, HM, un Wallace, DC (1980). Cilvēka mitohondriju DNS mantošana no mātes. Nacionālās zinātņu akadēmijas materiāli, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Atbilde Lutz-Bonengel et al .: Biparental mtDNA pārnešana, visticamāk, nav kodolu mitohondriju DNS segmentu rezultāts. Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, un Suomalainen, A. (2019). Tēva mitohondriju liktenis. Daba, 565 (7739), 296-297.
6. Nacionālā medicīnas bibliotēka. Atsauce uz ģenētiku mājās: jūsu rokasgrāmata ģenētisko nosacījumu izpratnei.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Mitohondriju DNS uzturēšana mugurkaulniekiem. Gada bioķīmijas pārskats, 66 (1), 409–435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Ģenētikas principi. Džons Vilijs un dēli.