Mitochondrialny DNA

Schematyczne przedstawienie ludzkiego mtDNA

Technicznie rzecz biorąc, mitochondrialne DNA , lub w skrócie mtDNA , to dwuniciowe, w większości okrągłe DNA wewnątrz (matrycy) mitochondriów . Pod wpływem cytowanej literatury fachowej termin ten zyskuje coraz większą popularność na tle obcego niemieckiego słowa „mitochondrialne DNA”. Genom mitochondrialny nazywany jest mitogenomem lub (rzadziej) chondrioma . mtDNA zostało odkryte w 1963 r. przez Margit Nass i Sylvan Nass za pomocą metod mikroskopii elektronowej, aw 1964 r. przez Ellen Haslbrunner, Hansa Tuppy i Gottfrieda Schatza na podstawie pomiarów biochemicznych.

nieruchomości

mtDNA organizmów wielokomórkowych jest zwykle zorganizowane w sposób kołowy, tj. Oznacza to, że składa się z podwójnej nici DNA zamkniętej, tworząc pierścień. W wielu organizmach jednokomórkowych, a także w niektórych organizmach wielokomórkowych (np. u niektórych gatunków Cnidaria ), wykryto również liniowo zorganizowane mtDNA (np. w orzęskach Tetrahymena lub zielonych algach Chlamydomonas reinhardtii ). Końce Ten liniowy mtDNA tworzą telomerase- niezależnych telomery z różnymi mechanizmami replikacji , co czyni z nich interesujących badań obiektów , ponieważ istnieje wiele czynników chorobotwórczych wśród pierwotniaki z liniowym mtDNA . Replikacja i transkrypcja mtDNA jest kontrolowana przez region kontrolny mtDNA .

Chociaż obecna jest polimeraza DNA specyficzna dla mtDNA (kodowana w jądrze jądrom Pol γ), obecność własnego mtDNA nie pozwala mitochondriom dzielić się i namnażać niezależnie od komórki, w której się znajdują. Jednak częstotliwość podziałów mitochondriów jest tylko pośrednio zależna od częstotliwości podziałów komórki. MtDNA zawiera część, jeśli nie całość, genów dla enzymów w łańcuchu oddechowym i genów, które są odpowiedzialne za strukturę i reprodukcji mitochondriów. Jednak geny ponad 90% białek tworzących mitochondrium znajdują się w jądrze i są syntetyzowane w cytoplazmie komórki . Po transkrypcji i translacji gotowe białka są importowane do wnętrza mitochondriów przez dwie błony mitochondrialne za pomocą złożonej maszynerii translokacji (TOM/TIM) .

mtDNA jest zorganizowane w macierzy w tak zwane nukleoidy , odpowiednik jądra komórkowego , który można znaleźć również u prokariontów . Zawierają one zarówno kwas nukleinowy, jak i białka.

początek

Obecność własnego DNA jest unikalny wśród organelli komórkowych od zwierząt , w roślinach , gdy chloroplastów (i innych plastydów ) mają te same właściwości. Jest to punkt wyjścia dla teorii endosymbiotycznej , która mówi, że mitochondria i chloroplasty były pierwotnie niezależnymi organizmami, które w trakcie ewolucji zostały włączone do zwierzęcych lub roślinnych komórek prekursorowych, a teraz przejmują określone zadania dla tych komórek. Dalsze wskazania na to są takie, że mitochondria są mniej więcej tej samej wielkości co małe bakterie, mają koliste DNA i są otoczone dwiema błonami. Mechanizm syntezy białek (np. rybosomy mitochondrialne ) mitochondriów jest również bardzo podobny do mechanizmów prokariotów . Ponadto, podobnie jak DNA bakterii , mtDNA nie zawiera prawdziwych histonów i prawie nie zawiera intronów . Jednak w bakteriach, mitochondriach i plastydach DNA jest kondensowane przez funkcjonalne białka podobne do histonów (HLP, angielskie białka podobne do histonów ), które są do siebie homologiczne .

Inna organizacja genomu

Co dziwne, opisanego wzoru nie można znaleźć w mitochondriach ludzkiej wszy ( Pediculus humanus ). Zamiast tego genom mitochondrialny jest ułożony w 18 minikolistych chromosomach, każdy o długości 3-4 kb i kodujący od jednego do trzech genów. Ten wzór można również znaleźć w innych prawdziwych wszy zwierzęcych ( Anoplura ), ale nie u wszy szczękowych ( Mallophaga ). Wykazano, że pomiędzy minichromosomami zachodzi rekombinacja . Powód tej różnicy nie jest znany.

Warianty w kodzie genetycznym

W 1979 roku odkryto, że w ludzkich mitochondriach mtDNA ulega translacji z kodem genetycznym, który nieco odbiega od standardu . Takie odchylenia przewidywano wcześniej. Od tego czasu odkryto szereg pomniejszych wariantów kodu genetycznego, w tym różne alternatywne kody mitochondrialne. Jednak mitochondria wielu eukariontów, w tym większości roślin, używają standardowego kodu.

Niektóre z tych różnic należy postrzegać jako pseudozmiany w kodzie genetycznym z powodu zjawiska edycji RNA powszechnego w mitochondriach . U roślin wyższych uważano, że CGG koduje tryptofan, a nie argininę – odkryto jednak, że kodon w przetworzonym RNA to kodon UGG, który jest zgodny ze standardowym kodem genetycznym tryptofanu. Warto zauważyć, że kod genetyczny mitochondriów rozwijał się równolegle w grupie stawonogów , przy czym niektóre organizmy wyraźnie tłumaczyły AGG w lizynę (zamiast seryny).

Transfer genów endosymbiotycznych aż do całkowitej utraty

Genomy mitochondrialne mają znacznie mniej genów niż bakterie, z których, jak się sądzi, pochodzą. Chociaż niektóre geny zostały utracone, wiele zostało przeniesionych do jądra ( przeniesienie genów endosymbiotycznych , EGT), takie jak B. dla podjednostek białkowych Zespołu Oddechowego II Zakłada się, że dzieje się to stosunkowo często w trakcie ewolucji od pojawienia się eukariontów. W niektórych organizmach, takich jak Cryptosporidium parvum , w mitochondriach całkowicie brakuje DNA. Przypuszczalnie wszystkie ich geny zostały utracone lub przeniesione do jądra. W Cryptosporidium mitochondria posiadają inny system syntezy ATP , co sprawia, że ​​pasożyt jest odporny na wiele klasycznych inhibitorów mitochondrialnych, takich jak cyjanek , azydek i atowakwon .

mtDNA ludzi

Ludzkie mtDNA składa się z 16 569 par zasad z 37 genami . Są one wyrażać 13 mRNA że kod dla podjednostek białkowych w łańcuchu oddechowym kompleksu I, III, IV i V , a także 22 tRNA i dwóch rRNA (12S i 16S rRNA). Przy 10-15 cząsteczkach na mitochondrium, mtDNA ma od 100 do 10 000 kopii na komórkę .

Dziedzictwo

Ojcowskie mitochondria z ojcowskim mtDNA zwykle nie dostają się do zygoty. Jedynie mitochondria zawarte w komórce jajowej z matczynym mtDNA namnażają się w trakcie rozwoju embrionalnego i dalszego.

Analiza rodowód ujawnia matek dziedziczenia cechę genetyczną zakodowanych w DNA mitochondrialnym

W genealogii i antropologii główną rolę odgrywa dziedziczenie mtDNA. Z jednej strony ma to związek z faktem, że w wielu organizmach mitochondria są zwykle przekazywane tylko po matce , czyli tylko z matki na potomstwo. W jego środkowej części znajdują się mitochondria plemnika , które podczas zapłodnienia penetrują galaretowatą powłokę komórki jajowej, ale nie stają się częścią zygoty . Jajo wydziela również enzymy, które rozpuszczają mitochondria plemników. Dokładniej, są one oznaczane ubikwityną, a następnie rozkładane. Najnowsze odkrycia sugerują, że ten proces nie zawsze się udaje, tzn. że męskie mtDNA jest czasami przekazywane.

MtDNA mutuje w bardzo stałym tempie, dzięki czemu można stosunkowo dokładnie powiedzieć, jak blisko (pod względem czasu) są spokrewnione dwa plemiona, tj. tj. kiedy przodkowie tych plemion się rozdzielili. W antropologii można było wykazać, że rdzenna ludność Ameryki jest najbliżej spokrewniona z rdzenna ludność Eurazji (czyli wywodzi się od wspólnego przodka); dodatkowo można potwierdzić hipotezy dotyczące pochodzenia obecnego człowieka ( mitochondrialnej Evy ). Rozpoczęty w 2005 roku projekt Genograficzny , który bada budowę genetyczną ludzi na wszystkich kontynentach w celu uzyskania dokładniejszej wiedzy o związkach między różnymi populacjami i przebiegu zasiedlania Ziemi przez Homo sapiens , wykorzystuje te właściwości mtDNA.

W przypadku matczynego dziedziczenia mutacji w mtDNA, chore kobiety przekazują cechę swoim dzieciom obu płci. Dotknięci mężczyźni nie przekazują go żadnemu ze swoich dzieci. Kilka lat temu u wielu gatunków zwierząt, w jednym przypadku u ludzi, odkryto tzw. ojcowskie dziedziczenie mtDNA. Wydaje się, że jest stosunkowo rzadki (u myszy wskaźnik wynosi 1: 10 000). Zapewnia, że ​​mtDNA ojcowskie jest również przekazywane potomstwu. Dokładne procesy nie zostały jeszcze wyjaśnione; Nadal nie ma również wiarygodnych danych na temat tego, jak często ta forma dziedziczenia występuje u ludzi. Od 2002 roku znany jest tylko jeden przypadek, w którym szczególna osobliwość/ mutacja mtDNA została odziedziczona z ojca na jego syna: podczas gdy mtDNA we krwi zostało odziedziczone po matce, 90% mtDNA w mięśniach zostało odziedziczone po ojcu. Zgodnie z dalszymi badaniami, do tej pory ogólnie zakładano (od 2009 r.), że to konkretne odkrycie nie jest sprzeczne z założeniem, że mitochondria u ludzi mogą być dziedziczone jedynie po stronie matki; problemy metodologiczne analizy mogłyby symulować dziedziczenie ojcowskie.

Neandertalczyk mtDNA

Svante Pääbo i współpracownicy odnieśli sukces w 2008 roku, mitochondrialny genom neandertalczyka (w całości Homo neanderthalensis ), który żył 38 000 lat temu, z nieosiągalną dotąd dokładnością sekwencji .

Haplogrupa mitochondrialna człowieka

Geny

W 2020 roku naukowcy poinformowali o użyciu nowatorskich geneditorów wolnych od CRISPR , po raz pierwszy przetworzonych genów mitochondriów . Badania asocjacyjne całego genomu badają mtDNA pod kątem powiązań z fenotypami, takimi jak oczekiwana długość życia i ryzyko chorób, takich jak cukrzyca typu 2.

Peptydy pochodzące z mitochondriów

Od około 2013 roku wiadomo, że oprócz białek powstających w mitochondriach powstają tu różne peptydy . Te peptydy są częściowo uwalniane do cytoplazmy i pełnią zadania regulacyjne. Nie ma niezależnych genów kodujących te peptydy, są one kodowane w otwartych ramkach odczytu, nakładających się na geny kodujące białka. W związku z tym ich dokładna liczba jest nadal nieznana. Pierwszym odkrytym peptydem mitochondrialnym była humanina , odkryta w 2001 roku przez Yuichi Hashimoto , której sekwencja kodująca pokrywa się z mt-RNR2. Jest ważny w ochronie komórki przed stresem oksydacyjnym . W 2020 roku znanych jest łącznie osiem peptydów pochodzenia mitochondrialnego (MDP). Wszystkie mają funkcję ochronną komórkową porównywalną z humaniną. Niektóre z nich mogą mieć również znaczenie jako opiekunowie .

literatura

• Chen, XJ i Butow, RA (2005): Organizacja i dziedziczenie genomu mitochondrialnego. W: Nat. Ks. Genet. 6 (11): 815-825. PMID 16304597 , doi: 10.1038 / nrg1708
• Bryan Sykes : Siedem córek Ewy . Lubbe, 2001, ISBN 3-7857-2060-2
• Jürgen Groth : Genom mitochondrialny. W: Moje cząsteczki, twoje cząsteczki. Od indywidualności molekularnej. Berlin, 2009 (książka online)

linki internetowe

• MITOMAP - Baza danych genomu ludzkiego mitochondrialnego
• mtDB — baza danych genomu ludzkiego mitochondrialnego
• HaploGrep - Automatyczne oznaczanie haplogrup mtDNA
• EMPOP - Baza danych regionów kontrolnych DNA mitochondrialnego

Indywidualne dowody

1. ^ Instytut Biologii Doświadczalnej im. Wenner-Gren, Uniwersytet Sztokholmski, Sztokholm, Szwecja.
2. ^ Margit M. Nass, Sylvan Nass (1963): Włókna śródmitochondrialne o właściwościach DNA. W: J. Cell. Biol. tom 19, s. 593-629. PMID 14086138 PDF
3. ^ Instytut Biochemii na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Wiedeńskiego .
4. ↑ Haslbrunner, E. i in. (1964): Kwas dezoksyrybonukleinowy związany z mitochondriami drożdżowymi. W: Biochem. Biofizyka. Res. Vol. 15, s. 127-132. PDF ( pamiątka z oryginałem z 10 września 2008 roku w Internet Archive ) Info: archiwum Link został wstawiony automatycznie i nie została jeszcze sprawdzona. Sprawdź link do oryginału i archiwum zgodnie z instrukcjami, a następnie usuń to powiadomienie. @1@2Szablon: Webachiv / IABot / www.biozentrum.unibas.ch
5. ↑ Nosek J., Tomáska, L., Fukuhara, H., Suyama, Y., Kovác, L. (1998) Liniowe genomy mitochondrialne: 30 lat w dół , Trends Genet. , 14 (5), s. 184-188. PMID 9613202
6. ↑ Hoppins, S. i in. (2007): Maszyny, które łączą i dzielą mitochondria. W: Ann Rev Biochem Vol. 76, s. 751-80. PMID 17362197
7. ↑ Rehling, P. Meisinger, C. (2003) : Transport białek w mitochondriach: kompleksy TOM i TIM. W: Biospektrum. t. 9, s. 460-463. PDF
8. ↑ Shao R, Kirkness EF, Barker SC: Pojedynczy mitochondrialny chromosom typowy dla zwierząt wyewoluował w 18 minichromosomów w ludzkim wszy, Pediculus humanus . W: Badania nad genomem . 19, nr 5, maj 2009, s. 904-912. doi : 10.1101 / gr.083188.108 . PMID 19336451 . PMC 2675979 (darmowy pełny tekst).
9. ↑ BG Barrell, AT Bankier, J. Drouin: Inny kod genetyczny w ludzkich mitochondriach . W: Przyroda . 282, nr 5735, listopad 1979, s. 189-194. kod bibcode : 1979Natur.282..189B . doi : 10.1038 / 282189a0 . PMID 226894 .
10. ^ Francis HC Crick , LE Orgel i in. : Skierowana panspermia . W: Ikar . 19, nr 3, 1973, s. 341-346. kod bibcode : 1973Icar ... 19..341C . doi : 10.1016 / 0019-1035 (73) 90110-3 . "S. 344: To trochę zaskakujące, że organizmy o nieco innych kodach nie współistnieją.” Dyskusja .
11. ^ Andrzej Elzanowski, Jim Ostell: Kody genetyczne . NCBI
12. ↑ TH Jukes, S. Osawa: Kod genetyczny w mitochondriach i chloroplastach . W: Experientia . 46, nr 11-12, grudzień 1990, s. 1117-1126. doi : 10.1007 / BF01936921 . PMID 2253709 .
13. ↑ Andrzej (Anjay) Elzanowski, Jim Ostell: Kod genetyczny mitochondriów w drzewie taksonomicznym . NCBI
14. ↑ Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter: Biologia molekularna komórki . Garland Publishing Inc., Nowy Jork 1994, ISBN 978-0-8153-3218-3 .
15. ↑ Hiesel R, Wissinger B, Schuster W, Brennicke A: edycja RNA w mitochondriach roślinnych . W: Nauka . 246, nr 4937, grudzień 1989, s. 1632-1634. bibcode : 1989Sci...246.1632H . doi : 10.1126 / nauka.2480644 . PMID 2480644 .
16. ↑ Abascal F, Posada D, Knight RD, Zardoya R: Równoległa ewolucja kodu genetycznego w genomach mitochondrialnych stawonogów . W: PLoS Biologia . 4, nr 5, maj 2006, s. E127. doi : 10.1371 / journal.pbio.0040127 . PMID 16620150 . PMC 1440934 (darmowy pełny tekst).
17. ↑ Chan DC: Mitochondria: dynamiczne organelle w chorobie, starzeniu się i rozwoju . W: Komórka . 125, nr 7, czerwiec 2006, s. 1241-1252. doi : 10.1016 / j.cell.2006.06.010 . PMID 16814712 .
18. ↑ ^{a b} Henriquez FL, Richards TA, Roberts F, McLeod R, Roberts CW: Niezwykły przedział mitochondrialny Cryptosporidium parvum . W: Trendy w parazytologii . 21, nr 2, luty 2005, s. 68-74. doi : 10.1016 / j.pt.2004.11.010 . PMID 15664529 .
19. ↑ MITOMAP: Zmieniona sekwencja referencyjna Cambridge (rCRS) ludzkiego mitochondrialnego DNA
20. ↑ Nr ref : NC_012920
21. ↑ Męskie mitochondria piszą podręczniki o Janie Osterkampie w Spektrum.de. Źródło 14 maja 2019 r.
22. ↑ Schwartz, M. i Vissing, J. (2002): Dziedziczenie ojcowskie mitochondrialnego DNA. W: N. Engl. J. Med., tom 347, s. 576-580. PMID 12192017 , doi: 10.1056 / NEJMoa020350 (darmowy pełny tekst).
23. ↑ Taylor, RW i in. (2003): Genotypy od pacjentów wskazują na brak udziału mitochondrialnego DNA ojcowskiego. W: Ann. Neurol. t. 54, s. 521-524. PMID 14520666
24. ↑ Filosto, M. i in. (2003): Brak ojcowskiego dziedziczenia mitochondrialnego DNA mięśni w sporadycznych miopatiach mitochondrialnych . W: Ann. Neurol. Vol. 54, s. 524-526. PMID 14520667
25. ↑ Schwartz, M. & Vissing, J. (2004): Brak dowodów na ojcowskie dziedziczenie mtDNA u pacjentów ze sporadycznymi mutacjami mtDNA. W: J. Neurol. Nauka. t. 218, s. 99-101. PMID 14759640
26. ↑ Bandelt, HJ. i in. (2005): Więcej dowodów na dziedziczenie mitochondrialnego DNA poza matką? W: J. Med Genet. t. 42, s. 957-960. PMID 15923271 doi: 10.1136 / jmg.2005.033589
27. ^ Neiman, M. & Taylor, DR (2009): Przyczyny akumulacji mutacji w genomach mitochondrialnych. W: proc. R. Soc. B. t. 276, nr 1660, s. 1201-1209. PMID 19203921 doi: 10.1098 / rspb.2008.1758
28. ↑ Zielony, RE i in. (2008): Kompletna sekwencja genomu mitochondrialnego Neandertalczyka określona przez wysokoprzepustowe sekwencjonowanie. W: Komórka . t. 134, nr 3, s. 416-426. PMID 18692465 , PMC 2602844 (darmowy pełny tekst).
29. ↑ EBI: AM948965
30. ↑ S. Anderson, AT Bankier, BG Barrell, MH de Bruijn, AR Coulson, J. Drouin, IC Eperon, DP Nierlich, BA Roe, F. Sanger, PH Schreier, AJ Smith, R. Staden, IG Young: Sequence i organizacja ludzkiego genomu mitochondrialnego. W: Przyroda . Tom 290, numer 5806, kwiecień 1981, s. 457-465, PMID 7219534 .
31. ↑ W elektrowniach wewnątrz komórek po raz pierwszy przeprowadzono edycję genów . W: New Scientist , 8 lipca 2020 r. Źródło 12 lipca 2020 r. 
32. ↑ Beverly Y. Mok, Marcos H. de Moraes, Jun Zeng, Dustin E. Bosch, Anna V. Kotrys, Aditya Raguram, FoSheng Hsu, Matthew C. Radey, S. Brook Peterson, Vamsi K. Mootha, Joseph D. Mougous , David R. Liu: Toksyna deaminazy cytydyny bakteryjnej umożliwia edycję zasad mitochondrialnych bez CRISPR . W: Przyroda . 583, nr 7817, lipiec 2020, ISSN  1476-4687 , s. 631-637. doi : 10.1038 / s41586-020-2477-4 . PMID 32641830 . PMC 7381381 (darmowy pełny tekst).
33. ↑ Matki mogą wpływać na wzrost potomstwa, długość życia i ryzyko chorób poprzez mitochondria (en) . W: phys.org . Źródło 14 czerwca 2021. 
34. ↑ Ekaterina Yonova-Doing, Claudia Calabrese, Aurora Gomez-Duran, Katherine Schon, Wei Wei, Savita Karthikeyan, Patrick F. Chinnery, Joanna MM Howson: Atlas stowarzyszeń genotypowo-fenotypowych mitochondrialnego DNA w brytyjskim Biobank . W: Genetyka przyrody . 17 maja 2021, ISSN  1546-1718 , s. 1-12. doi : 10.1038/s41588-021-00868-1 . PMID 34002094 .
35. ↑ Changhan Lee, Kelvin Yen, Pinchas Cohen (2013): Humanin: zwiastun peptydów pochodzenia mitochondrialnego? Trendy w endokrynologii i metabolizmie 24 (5): 222-228. doi: 10.1016 / j.tem.2013.01.005
36. ↑ Troy L. Merry, Alex Chan, Jonathan ST Woodhead, Joseph C Reynolds, Hiroshi Kumaga, Su-Jeong Kim, Changhan Lee (2020): peptydy pochodzące z mitochondriów w metabolizmie energetycznym. Amerykański Czasopismo Fizjologii. Endocrinologa and Metabolism (online przed drukiem) doi: 10.1152 / ajpendo.00249.2020 .
37. ↑ Alan K. Okada, Kazuki Teranishi, Fleur Lobo, J. Mario Isas, Jialin Xiao, Kelvin Yen, Pinchas Cohen, Ralf Langen (2017): Peptydy pochodzenia mitochondrialnego, HumaninS14G i mały peptyd podobny do humanina 2, jak aktywność. Raporty naukowe 7, numer artykułu: 7802. doi: 10.1038 / s41598-017-08372-5