MITOHONDRIJSKA DNA: KARAKTERISTIKE, FUNKCIJE, NASLJEĐIVANJE, BOLESTI - BIOLOGIJA - 2026

Mitohondrijska DNA je mala kružna molekula DNA koja se nalazi u tim organela u eukariotskim stanicama. Ovaj mali genom kodira vrlo ograničen broj proteina i aminokiselina unutar mitohondrija. Uobičajeno je da se naziv „mitohondrijska DNK“ skraćuje u mnogim udžbenicima i znanstvenim člancima kao „mtDNA“ ili na engleskom „mtDNA“.

Mitohondriji su esencijalne organele za eukariotske stanice, budući da su one odgovorne za pretvaranje energije iz hrane konzumirane u obliku šećera u oblik energije koji stanice mogu koristiti (na primjer ATP).

Mitohondrijska DNK (Izvor? Nacionalni institut za istraživanje ljudskog genoma, putem Wikimedia Commons)

Sve stanice u eukariotskim organizmima imaju najmanje jedan mitohondrij u sebi. Međutim, postoje stanice poput stanica srčanog mišića i stanica skeletnih mišića koje u sebi mogu imati stotine mitohondrija.

Mitohondriji imaju svoj vlastiti aparat za sintezu proteina neovisan o staničnoj napravi, s ribosomima, prijenosnim RNA i aminoacilnom RNA transferazom-sintetazom iz unutrašnjosti organele; iako je ribosomalna RNA manja od stanice u kojoj se nalazi.

Takav aparat pokazuje veliku sličnost s aparatom sinteze proteina bakterija. Nadalje, kao i kod prokariota, ovaj je aparat izuzetno osjetljiv na antibiotike, ali vrlo različit od sinteze proteina u stanicama eukariota.

Izraz "mitohondrije" Benda je uvela krajem 12. stoljeća, a teorija "endosimbioze" najšire je prihvaćena u vezi s njezinim nastankom. To je 1967. godine objavila Lynn Margulis, u časopisu Theoretical Biology.

Teorija o "endosimbiozi" postavlja podrijetlo mitohondrija prije milijuna godina. Teoretizira se da je stanični predak eukariotskih stanica "zahvatio" i ugradio organizam sličan bakterijama u svoj metabolizam, koji je kasnije postao ono što danas znamo kao mitohondrije.

karakteristike

U sisavaca, općenito je cijeli genom koji sadrži mitohondrijsku DNA organiziran u kružnom kromosomu od 15.000 do 16.000 pari nukleotida ili, što je isto, od 15 do 16 Kb (kilobaza).

Unutar većine mitohondrija možete dobiti više kopija mitohondrijskog kromosoma. U ljudskim somatskim stanicama (nespolne stanice) uobičajeno je pronaći najmanje 100 primjeraka mitohondrijskog kromosoma.

U višim biljkama (angiospermiji) mitohondrijska DNK obično je mnogo veća, na primjer, u biljci kukuruza kružni kromosom mitohondrijske DNA može iznositi do 570 Kb.

Mitohondrijska DNK zauzima oko 1% ukupne DNK somatskih stanica većine kralježnjaka. To je vrlo očuvan DNK u životinjskom carstvu, suprotno onome što se primjećuje u biljkama, gdje postoji velika raznolikost.

U nekim "džinovskim" eukariotskim stanicama kao što su ovule (ženske spolne stanice) sisavaca ili u stanicama koje sadrže mnogo mitohondrija, mitohondrijska DNK može činiti do 1/3 ukupne stanične DNK.

Mitohondrijska DNA ima neka različita svojstva od nuklearne DNK: ima različitu gustoću i omjer parova baza guanin-citozin (GC) i adenin-timin (AT).

Gustina baze parova GC u mitohondrijskoj DNK je 1,68 g / cm3, a sadržaj 21%; dok je u nuklearnoj DNK ta gustoća 1,68 g / cm3, a sadržaj je oko 40%.

Značajke

Mitohondrijska DNA posjeduje najmanje 37 gena koji su ključni za normalno funkcioniranje mitohondrija. Od tih 37, 13 posjeduje podatke za proizvodnju enzima koji sudjeluju u oksidativnoj fosforilaciji.

Ovih 13 gena kodira za 13 polipeptidnih komponenti enzimskih kompleksa koji pripadaju lancu transporta elektrona i nalaze se u unutarnjoj membrani mitohondrija.

Unatoč 13 polipeptida kojima mitohondrijska DNA doprinosi prometnom lancu elektrona, sastoji se od više od 100 različitih polipeptida. No, ovih 13 komponenti neophodno je za oksidacijsku fosforilaciju i transportni lanac elektrona.

Shema mitohondrijalne DNA (Izvor: Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)

Među 13 polipeptida koji su sintetizirani iz mitohondrijalne DNA, ističu se I, II i III podjedinice kompleksa citokrom C oksidaza i VI podjedinica pumpi ATPaze ugrađene u unutarnju membranu organele.

Podaci potrebni za sintezu ostalih komponenti koje čine mitohondrije kodiraju se nuklearnim genima. Oni se u citoplazmi sintetiziraju kao i ostali stanični proteini i zatim uvoze u mitohondrije zahvaljujući specifičnim signalima.

U oksidativnoj fosforilaciji atomi kisika i šećera, poput glukoze, koriste se za sintezu ili stvaranje adenosin trifosfata (ATP), koji je kemijska vrsta koju sve stanice koriste kao izvor energije.

Preostali mitohondrijski geni imaju upute za sintezu prijenosnih RNA (tRNA), ribosomalnih RNA i enzima aminoacil-RNA transferaza-sintetaza (tRNA), potrebnog za sintezu proteina unutar mitohondrija.

nasljeđe

Donedavno se smatralo da se DNA mitohondrija prenosi isključivo majčinim nasljeđivanjem, to jest izravnim porijeklom s majke.

Međutim, u članku koji su Shiyu Luo i kolege objavili u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) u siječnju 2019., utvrđeno je da u rijetkim slučajevima DNA mitohondrija može naslijediti oba roditelja, oba od oca kao od majke.

Prije objave ovog članka, znanstvenicima je činjenica da je Y kromosom i mitohondrijska DNA naslijeđena netaknuta od oca, odnosno majke, potomstva.

"Netaknuto" nasljeđivanje gena Y kromosoma mitohondrijskih gena podrazumijeva da navedeni genetski materijal ne podliježe rekombinaciji i tijekom godina varira samo zbog spontanih mutacija, tako da je varijacija prilično mala, Zbog toga se većina studija mobilizacije populacije provodi na temelju tih gena, jer je, primjerice, genetičarima lako konstruirati obiteljska stabla koristeći mitohondrijsku DNA.

Veliki dio ljudske povijesti rekonstruiran je kroz genetsku povijest mitohondrijske DNK. Mnoge poslovne kuće čak nude da se razjasne obiteljske veze svake žive osobe s njihovim precima pomoću tehnika koje proučavaju ove karakteristike.

odgovor

Prvi model replikacije mitohondrijske DNA predložili su 1972. godine Vinograd i suradnici i ovaj model je i dalje važeći, uz određene promjene. Općenito, model se temelji na jednosmjernoj replikaciji koja počinje od dva različita podrijetla replikacije.

Znanstvenici klasificiraju mitohondrijski kromosom u dva različita lanca, teški lanac, H ili OH, iz engleskog "teški" i laki lanac, L ili OL iz engleskog "light". Oni su identificirani i smješteni u dva neprijavljena otvorena okvira za čitanje (URF) na mitohondrijskom kromosomu.

Replikacija mitohondrijskog genoma započinje u teškom lancu (OH) i nastavlja se u jednom smjeru sve dok se ne stvori puna duljina lakog lanca (OL). Nakon toga, proteini koji se nazivaju "jednolančani proteini koji vežu DNK mitohondrija" pridružuju se zaštititi lanac koji djeluje kao "matični" ili "predložak".

Enzimi odgovorni za odvajanje da bi došlo do replikacije (replikakozom) prelaze u svjetlosni pojas (OL) i formira se petljasta struktura koja blokira vezanje mitohondrijskih jednolančanih proteina koji se vežu na DNA.

U ovoj se petlji veže mitohondrijalna RNA polimeraza i započinje sinteza novog primera. Prijelaz sinteze u teški lanac (OH) događa se 25 nukleotida kasnije.

U trenutku prijelaza u teški lanac (OH), mitohondrijalna RNA polimeraza zamijenjena je mitohondrijskom replikativnom DNA polimerazom na 3 'kraju, gdje je replikacija u početku započela.

Konačno, sinteza oba lanca, i teškog (OH) i lakog (OL), traje kontinuirano dok se ne formiraju dvije kompletne kružne molekule dvolančane (dvolančane) DNK.

Srodne bolesti

Mnogo je bolesti povezanih s neispravnošću mitohondrijske DNA. Većina ih uzrokuje mutacijama koje oštećuju niz ili informacije sadržane u genomu.

Gubitak sluha u odnosu na povećanje dobi

Jedna od najbolje proučavanih bolesti koja je izravno povezana s promjenama u genomu mitohondrija DNA je gubitak sluha zbog povećanja dobi.

Ovo je stanje proizvod genetskih, okolišnih i životnih čimbenika. Kako ljudi stare, mitohondrijska DNA akumulira štetne mutacije, poput brisanja, translokacija, inverzije i još mnogo toga.

Oštećenja mitohondrijske DNK uzrokovana su uglavnom nakupljanjem reaktivnih vrsta kisika, to su nusproizvodi proizvodnje energije u mitohondrijama.

Mitohondrijska DNA posebno je osjetljiva na oštećenja jer nema sustav popravka. Stoga promjene uzrokovane reaktivnim kisikovim vrstama oštećuju DNK mitohondrija i uzrokuju kvar organele, uzrokujući staničnu smrt.

Stanice unutarnjeg uha imaju veliku potražnju energije. Taj zahtjev ih čini posebno osjetljivim na oštećenje mitohondrijske DNK. Ta oštećenja mogu nepovratno promijeniti funkciju unutarnjeg uha, što dovodi do potpunog gubitka sluha.

karcinomi

Mitohondrijska DNA posebno je osjetljiva na somatske mutacije, mutacije koje nisu naslijeđene od roditelja. Ove vrste mutacija događaju se u DNK nekih stanica tijekom života osobe.

Postoje dokazi koji povezuju promjene mitohondrija DNA kao rezultat somatskih mutacija s određenim vrstama raka, tumorima u mliječnim žlijezdama, u debelom crijevu, u želucu, u jetri i u bubrezima.

Mutacije u mitohondrijskoj DNK također su povezane s karcinomom krvi, poput leukemije i limfoma (karcinom stanica imunološkog sustava).

Stručnjaci povezuju somatske mutacije u mitohondrijskoj DNK s povećanjem proizvodnje reaktivnih vrsta kisika, čimbenika koji povećavaju oštećenje mitohondrijske DNK i stvaraju nedostatak kontrole u staničnom rastu.

Malo se zna o tome kako ove mutacije povećavaju nekontroliranu staničnu diobu i kako se na kraju razvijaju kao karcinomi.

Sindrom cikličnog povraćanja

Smatra se da su neki slučajevi cikličkog povraćanja, tipični za djetinjstvo, povezani s mutacijama u mitohondrijskoj DNK. Ove mutacije uzrokuju ponavljajuće epizode mučnine, povraćanja i umora ili letargije.

Znanstvenici povezuju ove epizode povraćanja s činjenicom da mitohondrije s oštećenom DNK mitohondrija mogu utjecati na određene stanice autonomnog živčanog sustava, utječući na funkcije poput otkucaja srca, krvnog tlaka i probave.

Unatoč tim asocijacijama, još nije jasno kako promjene u mitohondrijskoj DNK uzrokuju ponavljajuće epizode sindroma cikličkog povraćanja.

Reference

1. Clayton, D. (2003). Replikacija mitohondrija DNA: ono što znamo. IUBMB život, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikacija mitohondrija DNA u stanicama sisavaca: pregled puta. Eseji iz biokemije, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, i Wallace, DC (1980). Nasljeđivanje majke DNA mitohondrija čovjeka. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, Kalifornija, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Odgovor Lutz-Bonengel i suradnika: Biparentalni mtDNA prijenos vjerojatno neće biti rezultat nuklearnih mitohondrijskih segmenata DNA. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG i Suomalainen, A. (2019). Sudbina mitohondrija oca. Priroda, 565 (7739), 296-297.
6. Nacionalna medicinska knjižnica. Genetička kućna referenca: vaš vodič za razumijevanje genetskih stanja.
7. Shadel, GS, i Clayton, DA (1997). Održavanje mitohondrijske DNA u kralježnjaka. Godišnji pregled biokemije, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, i Snustad, DP (2006). Načela genetike. John Wiley & Sinovi.