MITOCHONDRIÁLNÍ DNA: CHARAKTERISTIKA, FUNKCE, DĚDIČNOST, NEMOCI - BIOLOGIE - 2025

Mitochondriální DNA je malá kruhová molekula DNA, která se nachází uvnitř těchto organel v eukaryotických buňkách. Tento malý genom kóduje velmi omezený počet proteinů a aminokyselin v mitochondriích. Název „mitochondriální DNA“ je v mnoha učebnicích a vědeckých článcích zkrácen jako „mtDNA“ nebo v angličtině „mtDNA“.

Mitochondrie jsou nezbytnými organely pro eukaryotické buňky, protože jsou zodpovědné za přeměnu energie z potravy spotřebované ve formě cukrů na formu energie, kterou mohou buňky použít (například ATP).

Mitochondriální DNA (zdroj? Národní ústav pro výzkum lidského genomu, přes Wikimedia Commons)

Všechny buňky v eukaryotických organismech mají v sobě alespoň jeden mitochondrion. Existují však buňky, jako jsou buňky srdečního svalu a buňky kosterního svalu, které mohou mít uvnitř stovky mitochondrií.

Mitochondrie mají svůj vlastní přístroj na syntézu proteinů nezávislý na buněčném přístroji, s ribozomy, přenosovými RNA a aminoacyl RNA-transferázovou-syntetázou z vnitřku organely; ačkoli ribozomální RNA je menší než buňka, která je ukládá.

Takový aparát vykazuje velkou podobnost s aparátem proteinové syntézy bakterií. Navíc, stejně jako v prokaryotech, je tento přístroj velmi citlivý na antibiotika, ale velmi se liší od syntézy proteinů v eukaryotických buňkách.

Termín „mitochondrie“ byl zaveden Bendou na konci 12. století a teorie „endosymbiózy“ je nejrozšířenější o svém původu. Toto bylo publikováno v roce 1967 Lynn Margulis, v časopise Journal of Theoretical Biology.

Teorie „endosymbiózy“ umisťuje původ mitochondrií před miliony let. Předpokládá se, že buněčný předchůdce eukaryotických buněk „pohltil“ a do svého metabolismu začlenil bakteriální organismus, který se později stal tím, co nyní známe jako mitochondrie.

vlastnosti

U savců je obvykle celý genom, který obsahuje mitochondriální DNA, organizován v cirkulárním chromozomu s 15 000 až 16 000 párů nukleotidů nebo, co je stejné, s 15 až 16 Kb (kilobázy).

Ve většině mitochondrií můžete získat více kopií mitochondriálního chromozomu. V lidských somatických buňkách (jiných než pohlavních buňkách) je běžné najít alespoň 100 kopií mitochondriálního chromozomu.

Ve vyšších rostlinách (angiospermech) je mitochondriální DNA obvykle mnohem větší, například v kukuřičné rostlině může kruhový chromozom mitochondriální DNA měřit až 570 Kb.

Mitochondriální DNA zabírá asi 1% celkové DNA somatických buněk většiny obratlovců. Je to vysoce konzervovaná DNA v živočišné říši, na rozdíl od toho, co je pozorováno u rostlin, kde je velká rozmanitost.

V některých „obřích“ eukaryotických buňkách, jako jsou ovuly (ženské pohlavní buňky) savců nebo v buňkách obsahujících mnoho mitochondrií, může mitochondriální DNA tvořit až 1/3 celkové buněčné DNA.

Mitochondriální DNA má některé odlišné vlastnosti než jaderná DNA: má odlišnou hustotu a poměr párů bází guanin-cytosin (GC) a adenin-thymin (AT).

Hustota párů bází GC v mitochondriální DNA je 1,68 g / cm3 a obsah je 21%; zatímco v jaderné DNA je tato hustota 1,68 g / cm3 a obsah je kolem 40%.

Funkce

Mitochondriální DNA má alespoň 37 genů, které jsou nezbytné pro normální funkci mitochondrií. Z těchto 37, 13 mají informace k produkci enzymů zapojených do oxidační fosforylace.

Těchto 13 genů kóduje 13 polypeptidových složek enzymových komplexů, které patří do transportního řetězce elektronů a jsou umístěny ve vnitřní membráně mitochondrie.

Přes 13 polypeptidů, které mitochondriální DNA přispívá k elektronovému transportnímu řetězci, je tvořeno více než 100 různými polypeptidy. Těchto 13 složek je však nezbytných pro oxidační fosforylaci a řetězec přenosu elektronů.

Schéma mitochondriální DNA (Zdroj: Mikibc ~ commonswiki, přes Wikimedia Commons)

Mezi 13 polypeptidy, které jsou syntetizovány z mitochondriální DNA, vynikají I, II a III podjednotky komplexu cytochrom C oxidázy a VI podjednotky pumpiček ATPázy zabudovaných do vnitřní membrány organely.

Informace nezbytné pro syntézu ostatních složek, které tvoří mitochondrie, jsou kódovány nukleovými geny. Ty jsou syntetizovány v cytoplazmě jako zbytek buněčných proteinů a díky specifickým signálům jsou pak importovány do mitochondrií.

Při oxidační fosforylaci se atomy kyslíku a cukru, jako je glukóza, používají pro syntézu nebo tvorbu adenosintrifosfátu (ATP), což je chemický druh používaný všemi buňkami jako zdroj energie.

Zbývající mitochondriální geny mají pokyny pro syntézu transferových RNA (tRNA), ribozomálních RNA a enzymu aminoacyl-RNA transferáza-syntetáza (tRNA), které jsou nezbytné pro syntézu proteinů v mitochondriích.

Dědictví

Až donedávna se předpokládalo, že mitochondriální DNA byla přenášena výhradně mateřskou dědičností, tj. Přímým sestoupením z matky.

Článek publikovaný Shiyu Luem a jeho kolegy v časopise Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických (PNAS) v lednu 2019 však zjistil, že ve vzácných případech lze mitochondriální DNA dědit od obou rodičů, a to jak otce jako matky.

Před zveřejněním tohoto článku bylo pro vědce skutečností, že chromozom Y a mitochondriální DNA byly zděděny po otci a matce po potomcích.

„Neporušená“ dědičnost genů chromozomu Y mitochondriálních genů znamená, že uvedený genetický materiál nepodléhá rekombinací změnami a v průběhu let se mění pouze díky spontánním mutacím, takže variace je poměrně nízká.

Z tohoto důvodu je většina studií mobilizace populace prováděna na základě těchto genů, protože například je pro genetiky snadné konstruovat rodokmeny pomocí mitochondriální DNA.

Hodně z lidské historie bylo rekonstruováno prostřednictvím genetické historie mitochondriální DNA. Mnoho obchodních domů dokonce nabízí objasnit rodinné pouto každého živého člověka se svými předky pomocí technik, které tyto vlastnosti studují.

Replikace

První model replikace mitochondriální DNA byl navržen v roce 1972 Vinogradem a spolupracovníky a tento model je stále platný, s určitými změnami. Model je obecně založen na jednosměrné replikaci, která začíná na dvou různých počátcích replikace.

Vědci klasifikují mitochondriální chromozom do dvou různých řetězců, těžkého řetězce, H nebo OH, z anglického „těžkého“ a lehkého řetězce, L nebo OL z anglického „lehkého“. Ty jsou identifikovány a umístěny ve dvou nepřiřazených otevřených čtecích rámcích (URF) na mitochondriálním chromozomu.

Replikace mitochondriálního genomu začíná v těžkém řetězci (OH) a pokračuje v jednom směru, dokud není produkována plná délka lehkého řetězce (OL). Následně jsou připojeny proteiny zvané "mitochondriální jednořetězcové vazebné proteiny DNA", aby chránily řetězec, který funguje jako "rodičovský" nebo "templát".

Enzymy odpovědné za vznik separace (replikosom) procházejí světelným pásem (OL) a je vytvořena smyčková struktura, která blokuje vazbu mitochondriálních jednovláknových DNA vazebných proteinů.

V této smyčce se váže mitochondriální RNA polymeráza a začíná syntéza nového primeru. K syntéze těžkého řetězce (OH) dochází později o 25 nukleotidů.

Právě v době přechodu na těžký řetězec (OH) je mitochondriální RNA polymeráza nahrazena mitochondriální replikativní DNA polymerázou na 3 'konci, kde původně začala replikace.

Konečně, syntéza obou řetězců, jak těžkých (OH), tak lehkých (OL), probíhá nepřetržitě, dokud se nevytvoří dvě úplné kruhové molekuly dvouřetězcové (dvouřetězcové) DNA.

Související nemoci

Existuje mnoho nemocí souvisejících s poruchou mitochondriální DNA. Většina z nich je způsobena mutacemi, které poškozují sekvenci nebo informace obsažené v genomu.

Ztráta sluchu ve vztahu k rostoucímu věku

Jedním z nejlépe studovaných onemocnění, která přímo souvisí se změnami v genomu mitochondriální DNA, je ztráta sluchu způsobená zvyšujícím se věkem.

Tato podmínka je výsledkem faktorů genetiky, životního prostředí a životního stylu. Jak lidé stárnou, mitochondriální DNA hromadí škodlivé mutace, jako jsou delece, translokace, inverze a další.

Poškození mitochondriální DNA je způsobeno hlavně akumulací reaktivních druhů kyslíku, jedná se o vedlejší produkty produkce energie v mitochondriích.

Mitochondriální DNA je zvláště zranitelná vůči poškození, protože nemá opravný systém. Proto změny způsobené reaktivními druhy kyslíku poškozují mitochondriální DNA a způsobují selhání organel, což způsobuje buněčnou smrt.

Buňky vnitřního ucha mají vysokou poptávku po energii. Tato poptávka je činí zvláště citlivými na poškození mitochondriální DNA. Tato poškození mohou nevratně změnit funkci vnitřního ucha, což vede k úplné ztrátě sluchu.

Rakoviny

Mitochondriální DNA je zvláště citlivá na somatické mutace, mutace, které nejsou zděděny od rodičů. Tyto typy mutací se vyskytují v DNA některých buněk po celý život člověka.

Existují důkazy, které spojují alterace mitochondriální DNA, které jsou výsledkem somatických mutací, s určitými typy rakoviny, nádorů v mléčných žlázách, v tlustém střevě, v žaludku, v játrech a ledvinách.

Mutace v mitochondriální DNA byly také spojeny s rakovinou krve, jako je leukémie a lymfomy (rakovina buněk imunitního systému).

Specialisté spojují somatické mutace v mitochondriální DNA se zvýšením produkce reaktivních druhů kyslíku, faktory, které zvyšují poškození mitochondriální DNA a vytvářejí nedostatek kontroly buněčného růstu.

O tom, jak tyto mutace zvyšují nekontrolované buněčné dělení buněk a jak se nakonec vyvinou jako rakovinné nádory, je málo známo.

Syndrom cyklického zvracení

Předpokládá se, že některé případy cyklického zvracení, typické pro dětství, souvisejí s mutacemi v mitochondriální DNA. Tyto mutace způsobují opakované epizody nevolnosti, zvracení a únavu nebo letargii.

Vědci spojují tyto epizody zvracení se skutečností, že mitochondrie s poškozenou mitochondriální DNA mohou ovlivnit určité buňky autonomního nervového systému a ovlivnit funkce, jako je srdeční frekvence, krevní tlak a trávení.

Přes tyto asociace není dosud jasné, jak změny v mitochondriální DNA způsobují opakující se epizody syndromu cyklického zvracení.

Reference

1. Clayton, D. (2003). Mitochondriální replikace DNA: co víme. IUBMB life, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikace mitochondriální DNA v savčích buňkách: přehled cesty. Eseje v biochemii, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM a Wallace, DC (1980). Materská dědičnost lidské mitochondriální DNA. Sborník Národní akademie věd, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B a Chen, SM (2019). Odpověď Lutz-Bonengel et al.: Biparentální přenos mtDNA pravděpodobně nebude výsledkem jaderných mitochondriálních DNA segmentů. Sborník Národní akademie věd, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, a Suomalainen, A. (2019). Osud otcovy mitochondrie. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. Národní lékařská knihovna. Genetics home reference: váš průvodce pochopením genetických podmínek.
7. Shadel, GS, a Clayton, DA (1997). Údržba mitochondriální DNA u obratlovců. Roční přehled biochemie, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, a Snustad, DP (2006). Základy genetiky. John Wiley a synové.