Mitochondriální DNA

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 16. července 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Mitochondriální DNA ( mtDNA ) je DNA nalezená (na rozdíl od jaderné DNA) v mitochondriích , organelách eukaryotických buněk.

Geny kódované v mitochondriální DNA patří do skupiny plasmogenů umístěných mimo jádro (mimo chromozom ). Souhrn těchto faktorů dědičnosti, soustředěných v cytoplazmě buňky , tvoří plasmon daného typu organismu (na rozdíl od genomu) [1] .

Historie objevů

Mitochondriální DNA objevili Margit Nass a Sylvain Nass v roce 1963 na univerzitě ve Stockholmu pomocí elektronové mikroskopie [2] a nezávisle vědci Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi a Gottfried Schatz při biochemické analýze mitochondriálních frakcí kvasinek na univerzitě ve Vídni v roce 1964 . [3]

Teorie původu mitochondriální DNA

Podle endosymbiotické teorie vznikla mitochondriální DNA z kruhových molekul DNA bakterií , a proto má jiný původ než jaderný genom . Nyní převládá hledisko, podle kterého jsou mitochondrie monofyletického původu, to znamená, že je předkové eukaryot získali pouze jednou.

Na základě podobnosti nukleotidových sekvencí DNA jsou nejbližšími příbuznými mitochondrií mezi živými prokaryoty alfa-proteobakterie (zejména se předpokládalo, že rickettsie jsou blízké mitochondriím ). Srovnávací analýza mitochondriálních genomů ukazuje, že v průběhu evoluce se geny předků moderních mitochondrií postupně přesunuly do buněčného jádra. Některé rysy mitochondriální DNA zůstávají z evolučního hlediska nevysvětlené (například poměrně velký počet intronů , nekonvenční použití tripletů a další). Vzhledem k omezené velikosti mitochondriálního genomu je většina mitochondriálních proteinů kódována v jádře. Současně je většina mitochondriálních tRNA kódována mitochondriálním genomem.

Tvary a počty molekul mitochondriální DNA

Ve většině studovaných organismů obsahují mitochondrie pouze kruhové molekuly DNA, u některých rostlin jsou současně kruhové i lineární molekuly a v řadě protistů (například nálevníci ) jsou pouze lineární molekuly. [5]

Savčí mitochondrie typicky obsahují dvě až deset identických kopií kruhových molekul DNA. [6]

V rostlinách každá mitochondrie obsahuje několik molekul DNA různých velikostí, které jsou schopné rekombinace.

U protistů z řádu kinetoplastidů (například u trypanozomů ) obsahuje speciální sekce mitochondrií ( kinetoplastů ) dva typy molekul DNA - identické maxi-kroužky (20-50 kusů) dlouhé asi 21 kb. a minikroužky (20 000-55 000 kusů, asi 300 odrůd, průměrná délka asi 1000 bp). Všechny kruhy jsou propojeny v jediné síti ( catenanes ), která je zničena a obnovena s každým replikačním cyklem. Maxi-kroužky jsou homologní s mitochondriální DNA jiných organismů. Každý minikroužek obsahuje čtyři podobné konzervované oblasti a čtyři jedinečné hypervariabilní oblasti. [7] V minikroužcích jsou zakódovány molekuly krátké vodící RNA ( guideRNA ), které upravují RNA přepsanou z genů maxikruhů.

Stabilita mitochondriální DNA

Mitochondriální DNA je zvláště citlivá na reaktivní formy kyslíku generované dýchacím řetězcem kvůli jejich těsné blízkosti. Přestože je mitochondriální DNA spojena s proteiny, jejich ochranná role je méně výrazná než v případě jaderné DNA. Mutace v mitochondriální DNA mohou způsobit dědičná onemocnění přenášená matkou . Existují také údaje naznačující možný příspěvek mutací mitochondriální DNA k procesu stárnutí a rozvoji patologických stavů souvisejících s věkem. [8] U lidí je mitochondriální DNA typicky přítomna ve 100-10 000 kopiích na buňku ( výjimkou jsou spermie a vajíčka ). Mnohočetnost mitochondriálních genomů je spojena se znaky manifestace mitochondriálních onemocnění  - obvykle jejich pozdním nástupem a velmi variabilními příznaky.

Mitochondriální dědičnost

Dědictví po matce

U většiny mnohobuněčných organismů je mitochondriální DNA mateřskou dědičností. Vajíčko obsahuje o několik řádů více kopií mitochondriální DNA než spermie. Ve spermatu obvykle není více než tucet mitochondrií (u lidí - jedna spirálovitě stočená mitochondrie), ve vejcích malých ježků - několik set tisíc a ve velkých žabích oocytech - desítky milionů. Navíc mitochondrie spermií obvykle podléhají degradaci po oplodnění [9] .

Při sexuální reprodukci se mitochondrie obvykle dědí výhradně po mateřské linii, mitochondrie spermií jsou obvykle zničeny po oplodnění. Kromě toho se většina mitochondrií spermií nachází na bázi bičíku , který se někdy ztrácí během oplodnění. V roce 1999 bylo zjištěno, že mitochondrie spermií jsou značeny ubiquitinem (značkový protein, který vede k destrukci otcovských mitochondrií v zygotě) [10] .

Protože mitochondriální DNA není vysoce konzervovaná a má vysokou míru mutací , je dobrým objektem pro studium fylogeneze (evolučního vztahu) živých organismů. K tomu jsou pomocí speciálních počítačových programů určeny a porovnány sekvence mitochondriální DNA u různých druhů a pro studované druhy se získá evoluční strom. Studium mitochondriální DNA psů umožnilo vysledovat původ psů od divokých vlků [11] . Studium mitochondriální DNA v lidských populacích umožnilo vypočítat " mitochondriální Evu ", hypotetickou předchůdkyni všech aktuálně žijících lidí.

Otcovská dědičnost

U některých druhů byl prokázán přenos mitochondriální DNA samčí linií , např. u mušlí [12] [13] . Otcovská mitochondriální dědičnost byla popsána také u některých druhů hmyzu , jako jsou Drosophila [14] včely [15] a cikády . [16]

Existují také důkazy o mitochondriální mužské dědičnosti u savců. Byly popsány případy takové dědičnosti u myší [17] [18] , přičemž mitochondrie získané od samce byly následně odmítnuty. Tento jev byl prokázán u ovcí [19] a klonovaného skotu. [dvacet]

Otcovská dědičnost u lidí

Donedávna se věřilo, že lidské mitochondrie se dědí pouze po mateřské linii. V roce 2002 byl znám pouze jeden případ pacienta, u kterého byla spolehlivě zjištěna otcovská mitochondriální DNA [21] .

Teprve nedávná studie z roku 2018 ukázala, že lidská mitochondriální DNA může být někdy stále přenášena otcovskou linií. Malé množství otcovských mitochondrií může vstoupit do mateřského vajíčka spolu s cytoplazmou spermie, ale zpravidla otcovské mitochondrie ze zygoty zmizí. Bylo však zjištěno, že někteří lidé mají „mutaci, která pomáhá mitochondriím otce přežít“ [22] .

Mitochondriální genom

U savců obsahuje každá molekula mtDNA 15000-17000 párů bází (u lidí 16565 párů bází - studie byla dokončena v roce 1981 [23] , podle jiného zdroje 16569 párů bází [24] ) a obsahuje 37 genů - 13 kóduje proteiny [ 25] , 22 - tRNA , 2 - rRNA (jeden gen pro 12S a 16S rRNA). Jiná mnohobuněčná zvířata mají podobnou sadu mitochondriálních genů, i když některé geny mohou někdy chybět. Složení genu mtDNA různých druhů rostlin, hub a zejména protistů [26] se výrazněji liší. Nejúplnější ze známých mitochondriálních genomů byl tedy nalezen u bičíkovce Reclinomonas americana Jacobida : obsahuje 97 genů , včetně 62 genů kódujících proteiny (27 ribozomálních proteinů, 23 proteinů zapojených do provozu elektronového transportního řetězce a oxidativní fosforylace , a také podjednotky RNA polymerázy ).

Jeden z nejmenších mitochondriálních genomů má malarické plazmodium (asi 6000 bp, obsahuje dva geny rRNA a tři geny kódující proteiny).

Nedávno objevené zbytkové mitochondrie ( mitosomy ) některých protistů ( dyzentérie améb , microsporidia a giardia ) neobsahují DNA.

Mitochondriální genomy různých druhů hub obsahují od 19431 (štěpná kvasinka Schizosaccharomyces pombe ) do 100314 ( sordariomycete Podospora anserina ) párů bází [27] .

Některé rostliny mají obrovské mitochondriální molekuly DNA (až 25 milionů párů bází), které obsahují přibližně stejné geny a ve stejném množství jako menší mtDNA. Délka mitochondriální DNA se může značně lišit i u rostlin stejné rodiny. Rostlinná mitochondriální DNA obsahuje nekódující repetitivní sekvence.

Lidský genom obsahuje pouze jeden promotor pro každý komplementární řetězec DNA [23] .

Lidský mitochondriální genom kóduje následující proteiny a RNA:

Proteiny nebo RNA Geny
NADH dehydrogenáza
(komplex I)		 MT-ND1 , MT-ND2 , MT -ND3 , MT-ND4 , MT -ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Koenzym Q - cytochrom c reduktáza/cytochrom b
(komplex III)		 MT-CYB
cytochrom c oxidáza
(komplex IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP syntáza 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

Vlastnosti mitochondriální DNA

Kódující sekvence ( kodony ) mitochondriálního genomu mají určité odlišnosti od kódujících sekvencí univerzální jaderné DNA.

Kodon AUA v mitochondriálním genomu tedy kóduje methionin (místo isoleucinu v jaderné DNA), kodony AGA a AGG jsou terminační kodony (v jaderné DNA kódují arginin ) a kodon UGA v mitochondriálním genomu kóduje tryptofan [23] .

Abychom byli přesnější, nemluvíme o mitochondriální DNA, ale o mRNA , která se z této DNA odepíše (přepíše) před zahájením syntézy proteinů. U v označení kodonu znamená uracil , který nahrazuje thymin , když je gen přepsán do RNA .

Počet genů tRNA (22 genů) je menší než v jaderném genomu s jeho 32 geny tRNA [23] .

V lidském mitochondriálním genomu je informace tak koncentrovaná, že v sekvencích kódujících mRNA jsou zpravidla částečně deletovány nukleotidy odpovídající 3'-terminálním terminátorovým kodonům [23] .

Aplikace

Kromě použití při konstrukci různých fylogenetických teorií je studium mitochondriálního genomu hlavním nástrojem identifikace . Možnost identifikace je spojena se skupinovými a dokonce i individuálními rozdíly existujícími v lidském mitochondriálním genomu.

Sekvence genové oblasti cytochrom c oxidázy podjednotky I, kódované v mitochondriální DNA, je široce používána v projektech souvisejících s DNA barcodingem zvířat, tedy určením, zda organismus patří k určitému taxonu na základě krátkých markerů v jeho DNA [28]. [29] . Pro rostlinné čárové kódování se používá především kombinace dvou markerů v plastidové DNA [30] .

Skupina Shukhrata Mitalipova v Centru pro embryonální buňky a genovou terapii na Oregonské univerzitě vyvinula metodu náhrady mitochondriální DNA k léčbě dědičných mitochondriálních onemocnění. Nyní ve Spojeném království začaly klinické zkoušky této metody, které dostaly neoficiální název „technika tří rodičů“ – „dítě od tří rodičů“. Ví se také o narození dítěte v Mexiku v důsledku tohoto zákroku [31] .

Poznámky

  1. ↑ Jinks, D., Nechromozomální dědičnost, přel. z angličtiny, M., 1966; Sadger R., Genes outside of chromozomes, in: Molecules and Cells, trans. z angličtiny, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963 na Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University , Stockholm , Švédsko ): Intramitochondriální vlákna s vlastnostmi DNA Archivováno 10. září 2008 na Wayback Machine (PDF). In: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy a Gottfried Schatz (1964 v Institutu pro biochemii na Lékařské fakultě Vídeňské univerzity ve Vídni , Rakousko ): "Deoxyribonukleová kyselina spojená s kvasinkovými mitochondriemi" (PDF) Biochem. Biophys. Res. komunální. 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR Funkční organizace mitochondriálních genomů v lidských buňkách  // BMC Biol  . : deník. - 2004. - Sv. 2 . — str. 9 . - doi : 10.1186/1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. Překvapení mitochondriálního genomu. Příroda, 2002, N6 . Získáno 18. 5. 2014. Archivováno z originálu 28. 7. 2012.
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Počítání cílových molekul exponenciální polymerázovou řetězovou reakcí, počet kopií mitochondriální DNA v krysích tkáních  //  Biochim Biophys Acta. : deník. - 1992. - Sv. 183 . - str. 553-559 . — PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (downlink) . Získáno 11. května 2009. Archivováno z originálu dne 31. března 2011. 
  8. ↑ Alexejev, Michail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. Mitochondriální DNA a stárnutí (neopr.)  // Klinická věda. - 2004. - Červenec ( roč. 107 , č. 4 ). - S. 355-364 . - doi : 10.1042/CS20040148 . — PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chentsov Yu. S. Obecná cytologie. - 3. vyd. - Moskevská státní univerzita, 1995. - 384 s. — ISBN 5-211-03055-9 .
  10. ↑ Šutovský, P., et. al. Ubiquitin tag pro mitochondrie spermií  (anglicky)  // Nature . Listopad. 25, 1999. Sv. 402 . - str. 371-372 . - doi : 10.1038/46466 . — PMID 10586873 . Diskutováno v [1] Archivováno 19. prosince 2007 na Wayback Machine
  11. ↑ Vilà C., Savolainen P., Maldonado JE a Amorin IR Mnohonásobný a starověký původ domácího psa  // Věda  :  časopis. - 1997. - 13. června ( sv. 276 ). - S. 1687-1689 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.276.5319.1687 . — PMID 9180076 .
  12. ↑ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM Heteroplasmy naznačuje omezenou biparentální dědičnost mitochondriální DNA Mytilus  //  Science : journal. - 1991. - Sv. 251 . - S. 1488-1490 . - doi : 10.1126/science.1672472 . — PMID 1672472 .
  13. ↑ Penman, Danny . Mitochondrie mohou být zděděny od obou rodičů , NewScientist.com  (23. srpna 2002). Archivováno z originálu 11. října 2008. Staženo 5. února 2008.
  14. ↑ Kondo R., Matsuura ET, Chigusa SI Další pozorování otcovského přenosu mitochondriální DNA Drosophila metodou selektivní amplifikace PCR   // Genet . Res. : deník. - 1992. - Sv. 59 , č. 2 . - S. 81-4 . — PMID 1628820 .
  15. ↑ Meusel MS, Moritz RF Přenos otcovské mitochondriální DNA při oplození vajíček včely medonosné (Apis mellifera L.)  //  Curr. Genet. : deník. - 1993. - Sv. 24 , č. 6 . - str. 539-543 . - doi : 10.1007/BF00351719 . — PMID 8299176 .
  16. ↑ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C. Důkaz pro otcovský únik u hybridních periodických cikád (Hemiptera: Magicicada spp.)  (španělsky)  // PLoS One. : deník. - 2007. - V. 9 . —P.e892 . _ - doi : 10.1371/journal.pone.0000892 .
  17. ↑ Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson AC Otcovská dědičnost mitochondriální DNA u myší   // Příroda . - 1991. - Sv. 352 , č.p. 6332 . - str. 255-257 . - doi : 10.1038/352255a0 . — PMID 1857422 .
  18. ↑ Shitara H., Hayashi JI, Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Mateřská dědičnost myší mtDNA u mezidruhových hybridů: segregace uniklé otcovské mtDNA s následnou prevencí následného úniku paternalů  ​​//  Genetics : journal. - 1998. - Sv. 148 , č.p. 2 . - S. 851-857 . — PMID 9504930 .
  19. ↑ Zhao X., Li N., Guo W., et al . Další důkazy pro otcovskou dědičnost mitochondriální DNA u ovcí (Ovis aries  )  // Dědičnost: časopis. - 2004. - Sv. 93 , č. 4 . - str. 399-403 . - doi : 10.1038/sj.hdy.6800516 . — PMID 15266295 .
  20. ↑ Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J., et al . Složení rodičovské mitochondriální DNA v klonovaných bovinních embryích  (anglicky)  // FEBS Lett. : deník. - 1998. - Sv. 426 , č.p. 3 . - S. 352-356 . - doi : 10.1016/S0014-5793(98)00350-0 . — PMID 9600265 .
  21. ↑ Schwartz M., Vissing J. Otcovská dědičnost mitochondriální DNA   // N. Engl . J. Med.  : deník. - 2002. - Sv. 347 , č.p. 8 . - S. 576-580 . - doi : 10.1056/NEJMoa020350 . — PMID 12192017 .
  22. ↑ Mitochondriální DNA může být přenášena otcovskou linií • Polina Loseva • Vědecké zprávy o prvcích • Genetika, mikrobiologie . Staženo 24. prosince 2018. Archivováno z originálu 24. prosince 2018.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Ayala F. D. Moderní genetika. 1987.
  24. ↑ Archivovaná kopie (odkaz není dostupný) . Získáno 10. října 2009. Archivováno z originálu 13. srpna 2011. 
  25. ↑ Danilenko N. G., Davydenko O. G. - Světy organelových genomů
  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 a G Burger. Struktura genomu a obsah genů v mitochondriální DNA protistů   // Výzkum nukleových kyselin : deník. - 1998. - Sv. 26 . - S. 865-878 . http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 Archivováno 29. srpna 2008 na Wayback Machine
  27. ↑ Dyakov Yu. T., Shnyreva A. V., Sergeev A. Yu. Úvod do genetiky hub . - M .: red. Středisko "Akademie", 2005. - S.  52 . — ISBN 5-7695-2174-0 .
  28. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Biologické identifikace pomocí čárových kódů DNA  //  Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. - 2003-02-07. — Sv. 270 , iss. 1512 . - str. 313-321 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . Archivováno z originálu 19. dubna 2016.
  29. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 let od zavedení čárového kódování DNA: od teorie k aplikaci  // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. - T. 55 , č.p. 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. Čárový kód DNA pro suchozemské rostliny  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences . - Národní akademie věd , 4. 8. 2009. — Sv. 106 , iss. 31 . - S. 12794-12797 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0905845106 . Archivováno z originálu 24. května 2016.
  31. ↑ Alla Astakhova. Dobrá práce - 2 . Health Blog (22. srpna 2017). Získáno 23. srpna 2017. Archivováno z originálu dne 23. srpna 2017.

Odkazy

Viz také

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Typy nukleových kyselin
Dusíkaté báze
Nukleosidy
Nukleotidy
RNA
DNA
Analogy
Vektorové typy