MITOKONDRIÁLIS DNS: JELLEMZŐK, FUNKCIÓK, ÖRÖKLŐDÉS, BETEGSÉGEK - BIOLÓGIA - 2025

A mitokondriális DNS egy kicsi kör alakú DNS molekula, amely ezen organellák belsejében helyezkedik el az eukarióta sejtekben. Ez a kis genom nagyon kevés fehérjét és aminosavat kódol a mitokondriumokon belül. Gyakori, hogy a "mitokondriális DNS" nevet sok tankönyvben és tudományos cikkben rövidítve "mtDNA", vagy angolul "mtDNA" rövidítik.

A mitokondriumok alapvető organellák az eukarióta sejtek számára, mivel felelõsek azért, hogy a cukor formájában elfogyasztott élelmiszerek energiáját olyan sejtek energiává alakítsák, amelyet a sejtek használhatnak (például ATP).

Mitokondriális DNS (Forrás? Nemzeti Humán Genom Kutató Intézet, a Wikimedia Commonson keresztül)

Az eukarióta szervezetekben levő sejtek legalább egy mitokondriumot tartalmaznak. Vannak olyan sejtek, mint a szívizomsejtek és a vázizomsejtek, amelyekben több száz mitokondrium lehet.

A mitokondriumoknak megvan a saját sejtektől független fehérjeszintézis-berendezése, riboszómákkal, transzfer RNS-ekkel és aminoacil-RNS-transzferáz-szintetázokkal az organellem belsejéből; bár a riboszómális RNS kisebb, mint az őket tároló sejté.

Egy ilyen készülék nagy hasonlóságot mutat a baktériumok proteinszintézisével. Továbbá, mint a prokariótákban is, ez a készülék rendkívül érzékeny az antibiotikumokkal szemben, de nagyon különbözik az eukarióta sejtekben a proteinszintézisétől.

A "mitokondriumok" kifejezést Benda vezette be a 12. század végén, és az "endoszimbiózis" elmélete eredete a legszélesebb körben elfogadott. Ezt 1967-ben Lynn Margulis közzétette a Journal of Theoretical Biology-ban.

Az "endosymbiosis" elmélete a mitokondriumok eredete a millió évvel ezelõtt. Elméletünk szerint az eukarióta sejtek sejtjei „elnyeltek” és beépítették egy baktériumszerű organizmust anyagcserébe, amely később mitokondriumokká vált.

jellemzők

Emlősökben általában a teljes mitokondriális DNS-t tartalmazó genom egy 15 000-16 000 pár nukleotidpáros, vagy ugyanazon 15-16 Kb (kilobázisos) körű kromoszómában van elrendezve.

A legtöbb mitokondriumban a mitokondriális kromoszóma több példányát kaphatja. Az emberi szomatikus sejtekben (nem nem sejtek) általános a mitokondriális kromoszóma legalább 100 példányának megtalálása.

Magasabb növényekben (angiosperms) a mitokondriális DNS általában sokkal nagyobb, például a kukorica növényben a mitokondriális DNS körkörös kromoszóma 570 Kb-ig mérhető.

A mitokondriális DNS a legtöbb gerinces állat szomatikus sejtjeinek teljes DNS-jének körülbelül 1% -át foglalja el. Nagyon konzervált DNS az állatvilágban, ellentétben azzal, amit a növényekben figyelnek meg, ahol a sokféleség nagy.

Néhány "óriás" eukarióta sejtben, például emlősök petesejtjeiben (női nemi sejtekben) vagy sok mitokondriumot tartalmazó sejtekben a mitokondriális DNS az összes sejt DNS-jének akár 1/3-át teheti ki.

A mitokondriális DNS más tulajdonságokkal rendelkezik, mint a nukleáris DNS: eltérő sűrűséggel és arányú guanin-citozin (GC) és adenin-timin (AT) bázispárokkal rendelkezik.

A GC bázispár sűrűsége a mitokondriális DNS-ben 1,68 g / cm3, tartalma 21%; míg a nukleáris DNS-ben ez a sűrűség 1,68 g / cm3, és a tartalom körülbelül 40%.

Jellemzők

A mitokondriális DNS legalább 37 gént tartalmaz, amelyek nélkülözhetetlenek a mitokondriumok normál működéséhez. Ezek közül a 37 közül 13 rendelkezik az oxidatív foszforilációban részt vevő enzimek előállításához szükséges információkkal.

Ez a 13 gén az enzimkomplexek 13 polipeptid komponensét kódolja, amelyek az elektronszállító láncba tartoznak és a mitokondriumok belső membránjában helyezkednek el.

A 13 polipeptid ellenére, amelyek a mitokondriális DNS hozzájárulnak az elektronszállítás láncához, több mint 100 különböző polipeptidből áll. Ezek a 13 alkotóelem azonban nélkülözhetetlenek az oxidatív foszforilációhoz és az elektronszállító lánchoz.

A mitokondriális DNS vázlata (Forrás: Mikibc ~ commonswiki, a Wikimedia Commons segítségével)

A mitokondriális DNS-ből szintetizált 13 polipeptid közül a citokróm C oxidáz komplexének I, II és III alegysége, valamint az organellem belső membránjába ágyazott ATPáz szivattyúk VI alegysége különbözik.

A mitokondriumokat alkotó többi komponens szintéziséhez szükséges információkat a nukleáris gének kódolják. Ezeket a citoplazmában szintetizálják, mint a többi sejtfehérjét, majd a specifikus jeleknek köszönhetően bejuttatják a mitokondriumokba.

Az oxidatív foszforiláció során az oxigén- és cukor-atomokat, például a glükózt használják az adenozin-trifoszfát (ATP) szintéziséhez vagy képződéséhez, amelyet az összes sejt energiaforrásként használ.

A fennmaradó mitokondriális gének tartalmazzák a transzfer RNS-ek (tRNS-ek), a riboszómális RNS-ek és az aminoacil-RNS transzferáz-szintetáz (tRNS) enzim szintézisére vonatkozó utasításokat, amelyek a mitokondriumokon belüli fehérje szintézishez szükségesek.

Örökség

Viszonylag a közelmúltban gondoltak arra, hogy a mitokondriális DNS-t kizárólag az anyai öröklés útján terjesztik át, azaz közvetlenül az anyától való leszármazás útján.

Shiyu Luo és munkatársai által az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémia (PNAS) folyóiratban 2019 januárjában közzétett cikk azonban megállapította, hogy ritka esetekben a mitokondriális DNS örökölhető mindkét szülőtől, mindkettőtől az apa, mint az anya.

A cikk megjelenése előtt a tudósok számára tény volt, hogy az Y-kromoszóma és a mitokondriális DNS ép és az apától az anyától az utódokig örökölt.

A mitokondriális gének Y-kromoszómájának „ép” öröklődése azt jelenti, hogy a genetikai anyag rekombinációval nem változik, és az évek során csak a spontán mutációk miatt változnak, tehát a variáció elég alacsony.

Emiatt a legtöbb populációmobilizációs vizsgálatot ezen gének alapján végzik, mivel például a genetikusok számára könnyű családfákat építeni mitokondriális DNS-sel.

Az emberi történelem nagy részét a mitokondriális DNS genetikai története révén rekonstruálták. Számos üzleti ház felajánlja, hogy tisztázza az egyes élő személyek családi kapcsolatait őseikkel olyan technikák segítségével, amelyek ezeket a tulajdonságokat tanulmányozzák.

replikáció

A mitokondriális DNS replikáció első modelljét 1972-ben javasolta Vinograd és munkatársai, és ez a modell még mindig érvényes, bizonyos változtatásokkal. Általánosságban elmondható, hogy a modell egyirányú replikáción alapul, amely a replikáció két különböző eredetétől kezdődik.

A tudósok a mitokondriális kromoszómát két különböző láncba sorolják: nehéz lánc, H vagy OH, az angol "nehéz" és a könnyű lánc, L vagy OL az angol "könnyű" kategóriába sorolva. Ezeket azonosítják, és a mitokondriális kromoszómán lévő két hozzárendelés nélküli nyitott leolvasási keretben (URF) helyezkednek el.

A mitokondriális genom replikációja a nehéz láncban (OH) kezdődik és egy irányban folytatódik, amíg a könnyű lánc (OL) teljes hossza el nem jön. Ezt követően "mitokondriális egyszálú DNS-kötő fehérjéknek" nevezett fehérjéket csatolják, hogy megvédjék a "szülő" vagy "templát" -ként működő láncot.

A replikáció előfordulásának elkülönítéséért (replikacoszóma) felelős enzimek átjutnak a könnyű sávba (OL), és létrejön egy hurokszerkezet, amely blokkolja a mitokondriális egyszálú DNS-kötő fehérjék kötődését.

Ebben a hurokban a mitokondriális RNS-polimeráz kötődik, és megkezdődik az új primer szintézise. A nehéz lánc (OH) szintézisbe történő átmenet később 25 nukleotiddal történik.

Közvetlenül a nehéz láncba (OH) történő átmenetkor a mitokondriális RNS-polimerázt a 3'-végén, ahol a replikáció kezdetben megkezdődött, a mitokondriális replikációs DNS-polimeráz váltja fel.

Végül mindkét lánc - mind a nehéz (OH), mind a könnyű (OL) - szintézise folyamatosan folytatódik, amíg kettős szálú (kettős szálú) DNS két teljes kör alakú molekulája képződik.

Kapcsolódó betegségek

A mitokondriális DNS rendellenes működéséhez számos betegség kapcsolódik. A legtöbbet mutációk okozzák, amelyek károsítják a genomban levő szekvenciát vagy információt.

Hallásvesztés az életkor növekedéséhez képest

Az egyik legjobban tanulmányozott betegség, amely közvetlenül kapcsolódik a mitokondriális DNS-genom változásaihoz, a halláskárosodás az egyre növekvő életkor miatt.

Ez a feltétel a genetikai, környezeti és életmódbeli tényezők eredménye. Az emberek öregedésével a mitokondriális DNS felhalmozódik a káros mutációkból, például deléciókból, transzlokációkból, inverziókból és egyebekből.

A mitokondriális DNS károsodását főként a reaktív oxigénfajok felhalmozódása okozza, ezek a mitokondriumokban az energiatermelés melléktermékei.

A mitokondriális DNS különösen érzékeny a sérülésekre, mivel nincs javítórendszere. Ezért a reaktív oxigénfajok által okozott változások károsítják a mitokondriális DNS-t, és az organellek működési zavarát okozzák a sejthalálhoz.

A belső fül sejtjeinek nagy az energiaigénye. Ez az igény teszi őket különösen érzékenyek a mitokondriális DNS károsodásokra. Ezek a károsodások visszafordíthatatlanul megváltoztathatják a belső fül működését, és a hallás teljes elvesztéséhez vezethetnek.

rákok

A mitokondriális DNS különösen érzékeny a szomatikus mutációkra, olyan mutációkra, amelyeket nem a szülõktõl örököltek. Az ilyen típusú mutációk az egész élet során egyes sejtek DNS-jében fordulnak elő.

Bizonyítékok vannak arra, hogy a szomatikus mutációk eredményeként létrejövő mitokondriális DNS-változások bizonyos típusú rákokkal, emlőmirigyekben, a vastagbélben, a gyomorban, a májban és a vesében lévő daganatokkal állnak összefüggésben.

A mitokondriális DNS mutációit vérdaganatokkal, például leukémiával és limfómákkal (immunrendszer sejtjeinek rák) is társították.

A szakemberek összekapcsolják a mitokondriális DNS szomatikus mutációit a reaktív oxigénfajok termelésének növekedésével, olyan tényezőkkel, amelyek növelik a mitokondriális DNS károsodást és a sejtek növekedésének ellenőrzésének hiányát okozzák.

Kevés információ áll rendelkezésre arról, hogy ezek a mutációk hogyan növelik a sejtek ellenőrizetlen sejtmegosztását, és hogyan alakulnak ki rákos daganatok.

Ciklikus hányás szindróma

A gyermekkori ciklikus hányás egyes eseteinek feltételezik, hogy a mitokondriális DNS mutációival kapcsolatosak. Ezek a mutációk ismétlődő hányingert, hányást, fáradtságot vagy letargiát okoznak.

A tudósok ezeket a hányási epizódokat azzal a tényvel társítják, hogy a sérült mitokondriális DNS-sel rendelkező mitokondriumok befolyásolhatják az autonóm idegrendszer egyes sejtjeit, befolyásolva például a pulzusszámot, a vérnyomást és az emésztést.

Ezen asszociációk ellenére még nem világos, hogy a mitokondriális DNS változásai hogyan idézik elő a ciklikus hányás szindróma ismétlődő epizódjait.

Irodalom

1. Clayton, D. (2003). Mitokondriális DNS replikáció: mit tudunk. IUBMB élet, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Mitokondriális DNS replikáció emlős sejtekben: az út áttekintése. Esszék a biokémiában, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, és Wallace, DC (1980). Az emberi mitokondriális DNS anyai öröklődése. A Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B. és Chen, SM (2019). Válasz Lutz-Bonengel és társai számára: A biparentális mtDNS átvitel nem valószínű, hogy a nukleáris mitokondriális DNS-szegmensek eredménye. A Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG és Suomalainen, A. (2019). Apja mitokondriumainak sorsa. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. Országos Orvostudományi Könyvtár. A genetika otthoni referenciája: útmutató a genetikai állapot megértéséhez.
7. Shadel, GS, és Clayton, DA (1997). Mitokondriális DNS fenntartása gerincesekben. Éves biokémiai áttekintés, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). A genetika alapelvei. John Wiley & Sons.