МІТОХОНДРІАЛЬНА ДНК: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЇ, УСПАДКУВАННЯ, ЗАХВОРЮВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Мітохондріальна ДНК являє собою невеликий круглий молекула ДНК , яка знаходиться всередині цих органел в клітині. Цей невеликий геном кодує дуже обмежену кількість білків та амінокислот у мітохондріях. У багатьох підручниках та наукових статтях назву "мітохондріальна ДНК" скорочено як "mtDNA" або англійською мовою "mtDNA".

Мітохондрії є найважливішими органелами для еукаріотичних клітин, оскільки вони відповідають за перетворення енергії з їжі, що споживається у вигляді цукрів, у форму енергії, яку клітини можуть використовувати (наприклад, АТФ).

Мітохондріальна ДНК (Джерело - Національний науково-дослідний інститут геному людини, через Wikimedia Commons)

Усі клітини еукаріотичних організмів мають принаймні один мітохондріон всередині них. Однак є такі клітини, як клітини серцевого м’яза та клітини скелетних м’язів, які можуть мати сотні мітохондрій всередині них.

Мітохондрії мають власний апарат синтезу білка, незалежний від клітинного апарату, з рибосомами, переносною РНК та аміноацильною РНК-трансферазою-синтетазою зсередини органели; хоча рибосомна РНК менша, ніж у клітини, яка їх розміщує.

Такий апарат демонструє велику схожість з апаратом синтезу білків бактерій. Крім того, як і у прокаріотів, цей апарат надзвичайно чутливий до антибіотиків, але сильно відрізняється від синтезу білка в еукаріотичних клітинах.

Термін "мітохондрії" був введений Бендою в кінці XII століття, і теорія "ендосимбіозу" є найбільш поширеною щодо його походження. Це було опубліковано у 1967 р. Лінн Маргуліс у журналі «Теоретична біологія».

Теорія "ендосимбіозу" ставить походження мітохондрій мільйони років тому. Існує теорія, що клітинна предка еукаріотичних клітин "охопила" і включила бактеріоподібний організм у свій метаболізм, який згодом став тим, що ми зараз знаємо як мітохондрії.

характеристики

У ссавців, як правило, весь геном, що включає мітохондріальну ДНК, організований у круговій хромосомі від 15000 до 16000 пар нуклеотидів або, тим самим, від 15 до 16 Кб (кілобази).

Всередині більшості мітохондрій можна отримати кілька копій мітохондріальної хромосоми. У соматичних клітинах людини (несексуальні клітини) зазвичай зустрічається щонайменше 100 копій мітохондріальної хромосоми.

У вищих рослин (покритонасінних) мітохондріальна ДНК зазвичай набагато більша, наприклад, у рослини кукурудзи кругова хромосома мітохондріальної ДНК може вимірювати до 570 Кб.

Мітохондріальна ДНК займає близько 1% від загальної ДНК соматичних клітин більшості хребетних тварин. Це високозбережена ДНК у царстві тварин, всупереч тому, що спостерігається у рослин, де існує велике різноманіття.

У деяких "гігантських" еукаріотичних клітинах, таких як овули (жіночі статеві клітини) ссавців або в клітинах, що містять багато мітохондрій, мітохондріальна ДНК може становити до 1/3 загальної клітинної ДНК.

Мітохондріальна ДНК має деякі інші властивості, ніж ядерна ДНК: вона має різну щільність і співвідношення пар основ гуанін-цитозин (GC) та аденін-тимін (AT).

Густота парної бази GC в мітохондріальній ДНК становить 1,68 г / см3, а вміст - 21%; тоді як в ядерній ДНК ця щільність становить 1,68 г / см3, а вміст - близько 40%.

Особливості

Мітохондріальна ДНК має щонайменше 37 генів, які необхідні для нормальної функції мітохондрій. З них 37, 13 мають інформацію для отримання ферментів, що беруть участь у окислювальному фосфорилюванні.

Ці 13 генів кодують 13 поліпептидних компонентів ферментних комплексів, що належать до електронно-транспортної ланцюга і розташовані у внутрішній мембрані мітохондрій.

Незважаючи на 13 поліпептидів, які мітохондріальна ДНК сприяє ланцюгу транспорту електронів, вона складається з понад 100 різних поліпептидів. Однак ці 13 компонентів є важливими для окислювального фосфорилювання та електронного ланцюга транспорту.

Схема мітохондріальної ДНК (Джерело: Mikibc ~ commonswiki, через Wikimedia Commons)

Серед 13 поліпептидів, які синтезуються з мітохондріальної ДНК, виділяються підрозділи I, II та III комплексу цитохрому С оксидази та VI субодиниця насосів АТФази, вбудованих у внутрішню мембрану органели.

Інформація, необхідна для синтезу решти компонентів, що складають мітохондрії, кодується ядерними генами. Вони синтезуються в цитоплазмі, як і інші клітинні білки, а потім імпортуються в мітохондрії завдяки специфічним сигналам.

В окислювальному фосфорилюванні атоми кисню та цукру, такі як глюкоза, використовуються для синтезу або утворення аденозинтрифосфату (АТФ), який є хімічним видом, який використовують усі клітини як джерело енергії.

Решта мітохондріальних генів мають інструкції для синтезу трансферних РНК (тРНК), рибосомальних РНК та ферменту аміноацил-РНК-трансферази-синтетази (тРНК), необхідного для синтезу білка в мітохондріях.

Спадщина

Ще порівняно недавно вважалося, що мітохондріальна ДНК передається виключно через материнське успадкування, тобто шляхом прямого походження від матері.

Однак у статті, опублікованій Шию Луо та його колегами у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) у січні 2019 року, встановлено, що в рідкісних випадках мітохондріальна ДНК може бути успадкована від обох батьків, обох батька як матері.

До публікації цієї статті вченим було фактом, що Y-хромосома та мітохондріальна ДНК були успадковані неушкодженими від батька та матері відповідно потомства.

"Недоторкане" успадкування генів Y-хромосоми мітохондріальних генів означає, що зазначений генетичний матеріал не зазнає змін шляхом рекомбінації і з роками змінюється лише завдяки спонтанним мутаціям, тому варіація є досить низькою .

Через це більшість досліджень по мобілізації населення проводяться на основі цих генів, оскільки, наприклад, генетикам легко побудувати сімейні дерева за допомогою мітохондріальної ДНК.

Значна частина людської історії була реконструйована завдяки генетичній історії мітохондріальної ДНК. Багато ділових будинків навіть пропонують уточнити родинні зв’язки кожної живої людини з предками за допомогою технік, які вивчають ці характеристики.

Реплікація

Перша модель реплікації мітохондріальної ДНК була запропонована у 1972 році Виноградом та співробітниками, і ця модель досі діє, з деякими змінами. Загалом модель базується на односторонній реплікації, яка починається з двох різних джерел реплікації.

Вчені класифікують мітохондріальну хромосому на дві різні ланцюги, важку ланцюг, H або OH, від англійської «важкий» та легкий ланцюг, L або OL від англійської «light». Вони ідентифіковані та розташовані у двох непризначених відкритих рамках читання (URF) на мітохондріальній хромосомі.

Реплікація мітохондріального геному починається у важкій ланцюзі (OH) і триває в одному напрямку до тих пір, поки не буде вироблена повна довжина легкого ланцюга (OL). Згодом білки, звані "мітохондріальні одноланцюгові білки, що зв'язують ДНК", приєднуються для захисту ланцюга, який функціонує як "батьківський" або "шаблон".

Ферменти, відповідальні за поділ за відбування реплікації (реплікасоми), переходять у світлу смугу (OL) і утворюється циклічна структура, яка блокує зв'язування мітохондріальних одноланцюгових білків, що зв'язують ДНК.

У цій петлі зв'язується мітохондріальна РНК-полімераза і починається синтез нового праймера. Перехід до синтезу важкої ланцюга (OH) відбувається на 25 нуклеотидів пізніше.

В момент переходу до важкої ланцюга (OH) мітохондріальна РНК-полімераза замінюється мітохондріальною реплікативною ДНК-полімеразою на 3 'кінці, де спочатку починалася реплікація.

Нарешті, синтез обох ланцюгів, як важкої (OH), так і легкої (OL) триває постійно, поки не будуть сформовані дві повні кругові молекули дволанцюжкової (дволанцюгової) ДНК.

Супутні захворювання

Існує багато захворювань, пов’язаних з несправністю ДНК мітохондрій. Більшість викликаються мутаціями, які пошкоджують послідовність або інформацію, що міститься в геномі.

Зниження слуху щодо збільшення віку

Одне з найкраще вивчених захворювань, яке безпосередньо пов’язане зі змінами в геномі мітохондріальної ДНК, - втрата слуху через збільшення віку.

Цей стан є продуктом генетичних, екологічних та життєвих факторів. З віком людей мітохондріальна ДНК накопичує шкідливі мутації, такі як делеції, транслокації, інверсії тощо.

Пошкодження мітохондріальної ДНК спричинюється головним чином накопиченням речовин реактивного кисню, це побічні продукти виробництва енергії в мітохондріях.

Мітохондріальна ДНК особливо вразлива до пошкоджень, оскільки не має системи відновлення. Тому зміни, викликані реактивними видами кисню, пошкоджують ДНК мітохондрій і призводять до збоїв у роботі органели, спричиняючи загибель клітин.

Клітини внутрішнього вуха мають високий попит на енергію. Цей попит робить їх особливо чутливими до пошкодження ДНК мітохондрій. Ці пошкодження можуть незворотно змінити функцію внутрішнього вуха, що призводить до повної втрати слуху.

Раки

Мітохондріальна ДНК особливо чутлива до соматичних мутацій, мутацій, які не успадковуються від батьків. Ці типи мутацій відбуваються в ДНК деяких клітин протягом життя людини.

Є дані, що пов'язують зміни ДНК мітохондрій внаслідок соматичних мутацій з певними видами раку, пухлинами молочних залоз, товстої кишки, шлунка, печінки та нирок.

Мутації в мітохондріальній ДНК також були пов'язані з раками крові, такими як лейкемія та лімфоми (рак клітин імунної системи).

Фахівці пов'язують соматичні мутації в мітохондріальній ДНК зі збільшенням вироблення реактивних видів кисню, факторів, що збільшують пошкодження мітохондріальної ДНК та створюють недостатній контроль у зростанні клітин.

Мало відомо про те, як ці мутації збільшують неконтрольоване ділення клітин і як вони в кінцевому підсумку розвиваються як ракові пухлини.

Синдром циклічної блювоти

Вважається, що деякі випадки циклічної блювоти, характерні для дитинства, пов'язані з мутаціями в мітохондріальній ДНК. Ці мутації викликають повторювані епізоди нудоти, блювоти, втоми або млявості.

Вчені пов'язують ці епізоди блювоти з тим, що мітохондрії з пошкодженою мітохондріальною ДНК можуть впливати на певні клітини вегетативної нервової системи, впливаючи на такі функції, як серцевий ритм, артеріальний тиск та травлення.

Незважаючи на ці асоціації, поки не ясно, як зміни в мітохондріальній ДНК викликають повторювані епізоди синдрому циклічної блювоти.

Список літератури

1. Клейтон, Д. (2003). Реплікація ДНК мітохондрій: що ми знаємо. Життя IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. Фолкенберг, М. (2018). Реплікація ДНК мітохондрій у клітинах ссавців: огляд шляху. Нариси з біохімії, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Материчне успадкування мітохондріальної ДНК людини. Праці Національної академії наук, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Відповідь Lutz-Bonengel та ін.: Передача біпарентальної мтДНК навряд чи буде результатом ядерних сегментів ДНК мітохондрій. Праці Національної академії наук, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG та Suomalainen, A. (2019). Доля мітохондрій батька. Природа, 565 (7739), 296-297.
6. Національна бібліотека медицини. Домашня довідка про генетику: ваш посібник із розуміння генетичних умов
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Мітохондріальна підтримка ДНК у хребетних. Щорічний огляд біохімії, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, та Snustad, DP (2006). Принципи генетики. Джон Вілі та сини.