Mitokondriellt DNA

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 16 juli 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Mitokondrie-DNA ( mtDNA ) är DNA som finns (till skillnad från kärn -DNA) i mitokondrier , organellerna i eukaryota celler.

De gener som kodas i mitokondrie-DNA tillhör gruppen av plasmogener som ligger utanför kärnan (utanför kromosomen ). Helheten av dessa ärftlighetsfaktorer, koncentrerade i cellens cytoplasma , utgör plasmon av en given typ av organism (i motsats till genomet) [1] .

Upptäcktshistorik

Mitokondriellt DNA upptäcktes av Margit Nass och Sylvain Nass 1963 vid Stockholms universitet med hjälp av elektronmikroskopi [2] och oberoende av forskarna Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi och Gottfried Schatz i den biokemiska analysen av jästmitokondriefraktioner vid universitetet i Wien 19644 . [3]

Teorier om ursprunget till mitokondriellt DNA

Enligt den endosymbiotiska teorin härstammar mitokondrie-DNA från bakteriers cirkulära DNA-molekyler och har därför ett annat ursprung än kärngenomet . Nu råder synvinkeln, enligt vilken mitokondrier är av monofyletiskt ursprung, det vill säga de förvärvades av eukaryoternas förfäder endast en gång.

Baserat på likheten i DNA-nukleotidsekvenser är de närmaste släktingarna till mitokondrier bland levande prokaryoter alfa-proteobakterier (särskilt antogs det att rickettsia är nära mitokondrier ). En jämförande analys av mitokondriella genom visar att generna från de moderna mitokondriernas förfäder under evolutionens gång gradvis flyttade in i cellkärnan. Vissa egenskaper hos mitokondriellt DNA förblir oförklarade ur en evolutionär synvinkel (till exempel ett ganska stort antal introner , okonventionell användning av tripletter och andra). På grund av den begränsade storleken på det mitokondriella genomet kodas de flesta mitokondriella proteiner i kärnan. Samtidigt kodas de flesta mitokondriella tRNA av mitokondriernas genom.

Former och antal av mitokondriella DNA-molekyler

I de flesta studerade organismer innehåller mitokondrier endast cirkulära DNA-molekyler, i vissa växter finns både cirkulära och linjära molekyler samtidigt, och i ett antal protister (till exempel ciliater ) finns det bara linjära molekyler. [5]

Däggdjursmitokondrier innehåller vanligtvis två till tio identiska kopior av cirkulära DNA-molekyler. [6]

I växter innehåller varje mitokondrier flera DNA-molekyler av olika storlekar som kan rekombineras.

Hos protister från kinetoplastidordningen (till exempel i trypanosomer ) innehåller en speciell sektion av mitokondrierna ( kinetoplast ) två typer av DNA-molekyler - identiska maxi-ringar (20-50 stycken) cirka 21 kb långa. och miniringar (20 000-55 000 stycken, cirka 300 varianter, medellängd cirka 1000 bp). Alla ringar är anslutna i ett enda nätverk ( catenanes ), som förstörs och återställs med varje replikeringscykel. Maxi-ringar är homologa med mitokondriella DNA från andra organismer. Varje miniring innehåller fyra liknande konserverade regioner och fyra unika hypervariabla regioner. [7] Korta guide-RNA-molekyler ( guideRNA ) kodas i minicirklarna, som redigerar RNA: t som transkriberats från generna i maxicirklarna.

Mitokondriell DNA-stabilitet

Mitokondriellt DNA är särskilt känsligt för reaktiva syrearter som genereras av andningskedjan på grund av deras närhet. Även om mitokondriellt DNA är associerat med proteiner, är deras skyddande roll mindre uttalad än i fallet med nukleärt DNA. Mutationer i mitokondrie-DNA kan orsaka ärftliga sjukdomar som överförs från modern . Det finns också data som indikerar ett möjligt bidrag från mitokondriella DNA-mutationer till åldrandeprocessen och utvecklingen av åldersrelaterade patologier. [8] Hos människor finns mitokondriellt DNA vanligtvis i 100-10 000 kopior per cell ( spermier och ägg är undantag). Mångfalden av mitokondriella genom är associerad med egenskaperna hos manifestationen av mitokondriella sjukdomar  - vanligtvis deras sena debut och mycket varierande symtom.

Mitokondriell arv

Moderns arv

I de flesta flercelliga organismer ärvs mitokondrie-DNA maternalt. Ägget innehåller flera storleksordningar fler kopior av mitokondrie-DNA än spermierna. I en spermatozoon finns det vanligtvis inte mer än ett dussin mitokondrier (hos människor - en spiralvriden mitokondrier), i små sjöborreägg - flera hundra tusen, och i stora grodoocyter - tiotals miljoner. Dessutom genomgår spermier mitokondrier vanligtvis nedbrytning efter befruktning [9] .

Vid sexuell fortplantning ärvs mitokondrier vanligtvis uteslutande genom moderlinjen, spermiemitokondrier förstörs vanligtvis efter befruktning. Dessutom är de flesta av spermiernas mitokondrier belägna vid basen av flagellumet , som ibland förloras under befruktning. År 1999 visade sig spermiemitokondrier vara märkta med ubiquitin (ett märkprotein som leder till förstörelsen av paternala mitokondrier i zygoten) [10] .

Eftersom mitokondrie-DNA inte är mycket konserverat och har en hög mutationshastighet , är det ett bra föremål för att studera fylogenin (evolutionära förhållandet) av levande organismer. För att göra detta bestäms sekvenserna av mitokondrie-DNA i olika arter och jämförs med hjälp av speciella datorprogram och ett evolutionärt träd erhålls för de studerade arterna. Studiet av mitokondriellt DNA från hundar har gjort det möjligt att spåra hundars ursprung från vilda vargar [11] . Studiet av mitokondriellt DNA i mänskliga populationer har gjort det möjligt att beräkna " mitokondriell Eva ", den hypotetiska stamfadern till alla för närvarande levande människor.

Faderns arv

För vissa arter har överföring av mitokondrie-DNA genom hanlinjen visats , till exempel i musslor [12] [13] . Faderlig mitokondriell arv har också beskrivits för vissa insekter, såsom Drosophila , [14] honungsbin [15] och cikader . [16]

Det finns också bevis på mitokondriell manlig arv hos däggdjur. Fall av sådant arv hos möss har beskrivits [17] [18] , med mitokondrier som erhållits från hanen som därefter avvisades. Detta fenomen har visats för får [19] och klonade nötkreatur. [tjugo]

Faderligt arv hos människor

Tills nyligen trodde man att mänskliga mitokondrier ärvs endast genom moderlinjen. Det fanns bara ett känt fall av en patient som tillförlitligt befanns ha paternalt mitokondrie-DNA 2002 [21] .

Endast en nyligen genomförd studie från 2018 visade att mänskligt mitokondrie-DNA ibland fortfarande kan överföras genom faderns linje. En liten mängd paternala mitokondrier kan komma in i moderns ägg tillsammans med spermiecytoplasman, men som regel försvinner då paternala mitokondrier från zygoten. Det har dock visat sig att vissa människor har "en mutation som hjälper faderns mitokondrier att överleva" [22] .

Mitokondriellt genom

Hos däggdjur innehåller varje mtDNA-molekyl 15000-17000 baspar (hos människor, 16565 baspar - studien avslutades 1981 [23] , enligt en annan källa 16569 baspar [24] ) och innehåller 37 gener - [ 13 kodar för proteiner 25] , 22 -tRNA- , 2 -rRNA (en gen för 12S och 16S rRNA). Andra flercelliga djur har en liknande uppsättning mitokondriella gener, även om vissa gener ibland saknas. mtDNA-gensammansättningen för olika växtarter, svampar och speciellt protister [26] skiljer sig mer signifikant. Således hittades det mest kompletta av de kända mitokondriella genomerna i den jakobidiska flagellaten Reclinomonas americana : den innehåller 97 gener , inklusive 62 gener som kodar för proteiner (27 ribosomala proteiner, 23 proteiner involverade i driften av elektrontransportkedjan och i oxidativ fosforylering , och även subenheter av RNA-polymeras ).

Ett av de minsta mitokondriella genomen har malariaplasmodium (ca 6 000 bp, innehåller två rRNA-gener och tre proteinkodande gener).

De nyligen upptäckta rudimentala mitokondrierna ( mitosomer ) hos vissa protister ( amöbadysenteri , mikrosporidier och giardia ) innehåller inte DNA.

Mitokondriella genom från olika svamparter innehåller från 19431 (klyvningsjäst Schizosaccharomyces pombe ) till 100314 ( sordariomycete Podospora anserina ) baspar [27] .

Vissa växter har enorma mitokondriella DNA-molekyler (upp till 25 miljoner baspar) som innehåller ungefär samma gener och i samma mängd som mindre mtDNA. Längden på mitokondrie-DNA kan variera kraftigt även i växter av samma familj. Växtmitokondrie-DNA innehåller icke-kodande repetitiva sekvenser.

Det mänskliga genomet innehåller endast en promotor för varje komplementär DNA-sträng [23] .

Det mänskliga mitokondriella genomet kodar för följande proteiner och RNA:

Proteiner eller RNA Gener
NADH-dehydrogenas
(komplex I)		 MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Koenzym Q - cytokrom c reduktas/cytokrom b
(komplex III)		 MT-CYB
cytokrom c-oxidas
(komplex IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP-syntas 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 hos mitokondrie-DNA

De kodande sekvenserna ( kodonen ) i mitokondriella genomet har vissa skillnader från de kodande sekvenserna för det universella nukleära DNA:t.

Således kodar AUA-kodonet i det mitokondriella genomet för metionin (istället för isoleucin i nukleärt DNA), AGA- och AGG-kodonen är terminatorkodon (i nukleärt DNA kodar de för arginin ) och UGA-kodonet i mitokondriella genomet kodar för tryptofan [23] .

För att vara mer exakt talar vi inte om mitokondrie-DNA, utan om mRNA , som skrivs av (transkriberas) från detta DNA innan proteinsyntesen börjar. U:t i kodonbeteckningen står för uracil , som ersätter tymin när genen transkriberas till RNA .

Antalet tRNA-gener (22 gener) är mindre än i kärngenomet med dess 32 tRNA-gener [23] .

I det mänskliga mitokondriella genomet är informationen så koncentrerad att som regel nukleotider som motsvarar de 3'-terminala terminatorkodonen delvis raderas i mRNA-kodande sekvenser [23] .

Applikation

Förutom att användas i konstruktionen av olika fylogenetiska teorier är studiet av mitokondriernas genom det främsta verktyget för identifiering . Möjligheten till identifiering är förknippad med grupp- och till och med individuella skillnader som finns i det mänskliga mitokondriella genomet.

Sekvensen för cytokrom c-oxidas-subenhet I-genregionen, kodad i mitokondrie-DNA, används i stor utsträckning i projekt relaterade till DNA-streckkodning av djur, dvs. att avgöra om en organism tillhör en viss taxon baserat på korta markörer i dess DNA [28] [29] . För streckkodning av växter används huvudsakligen en kombination av två markörer i plastid-DNA [30] .

Shukhrat Mitalipovs grupp vid Center for Embryonic Cells and Gene Therapy vid University of Oregon har utvecklat en mitokondriell DNA-ersättningsmetod för att behandla ärftliga mitokondriella sjukdomar. Nu i Storbritannien har kliniska prövningar av denna metod börjat, som har fått det inofficiella namnet "3-parent baby technique" - "ett barn från tre föräldrar." Det är också känt om ett barns födelse i Mexiko som ett resultat av denna procedur [31] .

Anteckningar

  1. ↑ Jinks, D., Nonchromosomal inheritance, trans. från English, M., 1966; Sadger R., Gener utanför kromosomerna, i: Molecules and Cells, trans. från engelska, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963 vid Wenner-Grens institut för experimentell biologi, Stockholms universitet , Stockholm , Sverige ): Intramitokondriella fibrer med DNA-egenskaper Arkiverad 10 september 2008 på Wayback Machine (PDF). I: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy och Gottfried Schatz (1964 vid Institut för biokemi vid medicinska fakulteten vid universitetet i Wien i Wien , Österrike ): "Deoxiribonukleinsyra associerad med jästmitokondrier" (PDF) Biochem. Biophys. Res. kommun. 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR Den funktionella organisationen av mitokondriella genom i mänskliga celler  // BMC Biol  . : journal. - 2004. - Vol. 2 . — S. 9 . - doi : 10.1186/1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. Överraskningar av mitokondriernas genom. Priroda, 2002, N 6 . Hämtad 18 maj 2014. Arkiverad från originalet 28 juli 2012.
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Räkna målmolekyler genom exponentiell polymeraskedjereaktion, kopieantal av mitokondriellt DNA i  råttvävnader //  Biochim Biophys Acta. : journal. - 1992. - Vol. 183 . - S. 553-559 . — PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (nedlänk) . Hämtad 11 maj 2009. Arkiverad från originalet 31 mars 2011. 
  8. ↑ Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitokondriellt DNA och åldrande (neopr.)  // Clinical Science. - 2004. - Juli ( vol. 107 , nr 4 ). - S. 355-364 . - doi : 10.1042/CS20040148 . — PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chentsov Yu. S. General Cytology. - 3:e uppl. - Moscow State University, 1995. - 384 s. — ISBN 5-211-03055-9 .
  10. ↑ Sutovsky, P., et. al. Ubiquitin-tagg för spermier mitokondrier  (engelska)  // Nature . nov. 25, 1999. Vol. 402 . - s. 371-372 . - doi : 10.1038/46466 . — PMID 10586873 . Diskuterat i [1] Arkiverad 19 december 2007 på Wayback Machine
  11. ↑ Vilà C., Savolainen P., Maldonado JE och Amorin IR Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog  // Science  :  journal. - 1997. - 13 juni ( vol. 276 ). - P. 1687-1689 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.276.5319.1687 . — PMID 9180076 .
  12. ↑ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM Heteroplasmy föreslår begränsad biparental arv av Mytilus mitokondrie-DNA  //  Science : journal. - 1991. - Vol. 251 . - S. 1488-1490 . - doi : 10.1126/science.1672472 . — PMID 1672472 .
  13. ↑ Penman, Danny . Mitokondrier kan ärvas från båda föräldrarna , NewScientist.com  (23 augusti 2002). Arkiverad från originalet den 11 oktober 2008. Hämtad 5 februari 2008.
  14. ↑ Kondo R., Matsuura ET, Chigusa SI Ytterligare observation av paternal överföring av Drosophila mitokondrie-DNA genom PCR-selektiv amplifieringsmetod   // Genet . Res. : journal. - 1992. - Vol. 59 , nr. 2 . - S. 81-4 . — PMID 1628820 .
  15. ↑ Meusel MS, Moritz RF Överföring av paternal mitokondrie-DNA under befruktning av honungsbi (Apis mellifera L.) ägg  //  Curr. Genet. : journal. - 1993. - Vol. 24 , nr. 6 . - s. 539-543 . - doi : 10.1007/BF00351719 . — PMID 8299176 .
  16. ↑ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C. Bevis för paternalt läckage i hybridperiodiska cikador (Hemiptera: Magicicada spp.)  (spanska)  // PLoS One. : dagbok. - 2007. - V. 9 . —P.e892 . _ - doi : 10.1371/journal.pone.0000892 .
  17. ↑ Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson AC Paternal arv av mitokondriellt DNA i möss   // Nature . - 1991. - Vol. 352 , nr. 6332 . - S. 255-257 . - doi : 10.1038/352255a0 . — PMID 1857422 .
  18. ↑ Shitara H., Hayashi JI, Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Moderärvning av mus-mtDNA i interspecifika hybrider: segregering av det läckta paternala mtDNA:t följt av förhindrande av efterföljande paternalt läckage  //  Genetics : journal. - 1998. - Vol. 148 , nr. 2 . - s. 851-857 . — PMID 9504930 .
  19. ↑ Zhao X., Li N., Guo W., et al . Ytterligare bevis för faderligt arv av mitokondriellt DNA hos fåren (Ovis aries  )  // Ärftlighet : journal. - 2004. - Vol. 93 , nr. 4 . - s. 399-403 . - doi : 10.1038/sj.hdy.6800516 . — PMID 15266295 .
  20. ↑ Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J., et al . Sammansättning av parentalt mitokondrie-DNA i klonade bovina embryon  (engelska)  // FEBS Lett. : journal. - 1998. - Vol. 426 , nr. 3 . - s. 352-356 . - doi : 10.1016/S0014-5793(98)00350-0 . — PMID 9600265 .
  21. ↑ Schwartz M., Vissing J. Faderns arv av mitokondriellt DNA   // N. Engl . J. Med.  : journal. - 2002. - Vol. 347 , nr. 8 . - s. 576-580 . - doi : 10.1056/NEJMoa020350 . — PMID 12192017 .
  22. ↑ Mitokondrie-DNA kan överföras genom faderns linje • Polina Loseva • Vetenskapsnyheter om element • Genetik, mikrobiologi . Hämtad 24 december 2018. Arkiverad från originalet 24 december 2018.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Ayala F. D. Modern genetik. 1987.
  24. ↑ Arkiverad kopia (länk ej tillgänglig) . Hämtad 10 oktober 2009. Arkiverad från originalet 13 augusti 2011. 
  25. ↑ Danilenko N. G., Davydenko O. G. - Organellgenoms världar
  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 och G Burger. Genomstruktur och geninnehåll i protist mitokondriella DNA   // Nucleic Acids Research : journal. - 1998. - Vol. 26 . - s. 865-878 . http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 Arkiverad 29 augusti 2008 på Wayback Machine
  27. ↑ Dyakov Yu. T., Shnyreva A. V., Sergeev A. Yu. Introduktion till svamparnas genetik . - M . : red. Center "Academy", 2005. - S.  52 . — ISBN 5-7695-2174-0 .
  28. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biologiska identifieringar genom DNA-streckkoder  //  Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. - 2003-02-07. — Vol. 270 , iss. 1512 . - s. 313-321 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . Arkiverad från originalet den 19 april 2016.
  29. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 år sedan införandet av DNA-streckkodning: från teori till tillämpning  // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. - T. 55 , nej. 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-streckkod för landväxter  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences . - National Academy of Sciences , 2009-08-04. — Vol. 106 , utg. 31 . - P. 12794-12797 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0905845106 . Arkiverad från originalet den 24 maj 2016.
  31. ↑ Alla Astakhova. Bra jobbat - 2 . Hälsoblogg (22 augusti 2017). Hämtad 23 augusti 2017. Arkiverad från originalet 23 augusti 2017.

Länkar

Se även

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 Nukleinsyratyper _
Kvävehaltiga baser
Nukleosider
Nukleotider
RNA
DNA
Analoger
Vektortyper _