Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Мітохондріальна ДНК



План:


Введення

Схема мітохондріального геному людини

Мітохондріальна ДНК (мтДНК) - ДНК, що знаходиться (на відміну від ядерної ДНК) в мітохондріях, органелах еукаріотичних клітин.

Гени, кодовані мтДНК, відносяться до групи плазмагенов, розташованих поза ядра (поза хромосоми). Сукупність цих факторів спадковості, зосереджених в цитоплазмі клітини, становить плазмон людини (на відміну від генома) [1].


1. Історія відкриття

Мітохондріальна ДНК була відкрита Маргіт Насс і Сільвен Насс в 1963 в Стокгольмському університеті за допомогою електронної мікроскопії [2] і, незалежно, вченими Еллен Харлсбруннер, Хансом Туппі і Готтфрід Шацем при біохімічному аналізі фракцій мітохондрій дріжджів у Віденському університеті в 1964. [3]


2. Теорії виникнення мітохондріальної ДНК

Згідно ендосімбіотіческой теорії, мітохондріальна ДНК сталася від кільцевих молекул ДНК бактерій і тому має інше походження, ніж ядерний геном. Зараз переважає точка зору, згідно з якою мітохондрії мають монофілетичне походження, тобто були придбані предками еукаріотів лише одного разу.

На підставі схожості в послідовностях нуклеотидів ДНК найближчими родичами мітохондрій серед нині живих прокаріотів вважають альфа-протеобактерія (висувалася також гіпотеза, що до мітохондрій близькі рикетсії). Порівняльний аналіз геномів мітохондрій показує, що в ході еволюції відбувалося поступове переміщення генів предків сучасних мітохондрій в ядро ​​клітини. Незрозумілими з еволюційної точки зору залишаються деякі особливості мітохондріальної ДНК (наприклад, досить велике число інтронів, нетрадиційне використання триплетів та ін.) Зважаючи обмеженого розміру мітохондріального геному велика частина мітохондріальних білків кодується в ядрі. При цьому велика частина мітохондріальних тРНК кодуються мітохондріальних геномом.


3. Форми і число молекул мітохондріальної ДНК

Електронна мікроскопія демонструє певну локалізацію мтДНК в мітохондріях людини. Дозвіл 200 нм. (A) Перетин через цитоплазму після фарбування мтДНК частинками золота. (B) Цитоплазма після екстракції; мтДНК, пов'язані з частинками золота, залишилися на місці. Зі статті Iborra et al., 2004. [4]

У більшості вивчених організмів мітохондрії містять тільки кільцеві молекули ДНК, у деяких рослин одночасно присутні і кільцеві, і лінійні молекули, а в ряді протистов (наприклад, інфузорій) є тільки лінійні молекули. [5]

Мітохондрії ссавців зазвичай містять від двох до десяти ідентичних копій кільцевих молекул ДНК. [6]

У рослин кожна мітохондрія містить кілька молекул ДНК різного розміру, які здатні до рекомбінації.

У протистов із загону кінетопластід (наприклад, у трипаносом) в особливому ділянці мітохондрії (кінетопласт) міститься два типи молекул ДНК - ідентичні максі-кільця (20-50 штук) довжиною близько 21 т.п.о. та міні-кільця (20000 - 55000 штук, близько 300 різновидів, середня довжина близько 1000 п.о.). Всі кільця з'єднані в єдину мережу (Катена), яка руйнується і відновлюється при кожному циклі реплікації. Максі-кільця гомологічних мітохондріальної ДНК інших організмів. Кожне міні-кільце містить чотири подібних консервативних ділянки і чотири унікальних Гіперваріативна ділянки. [7] У міні-кільцях закодовані короткі молекули РНК напрямних ( guideRNA), які здійснюють редагування РНК, транскрібіруемих з генів максі-кілець.


4. Стійкість мітохондріальної ДНК

Мітохондріальна ДНК особливо чутлива до активним формам кисню, що генеруються дихальної ланцюгом, у зв'язку з безпосередньою їх близькістю. Хоча мітохондріальна ДНК пов'язана з білками, їх захисна роль менш виражена, ніж у випадку ядерної ДНК. Мутації в ДНК мітохондрій можуть викликати передаються по материнській лінії спадкові захворювання. Також є дані, що вказують на можливий внесок мутацій мітохондріальної ДНК в процес старіння і розвитку вікових патологій. [8] У людини мітохондріальна ДНК зазвичай присутній в кількості 100-10000 копій на клітину ( сперматозоїди і яйцеклітини є винятком). З множинністю мітохондріальних геномів пов'язані особливості прояву мітохондріальних хвороб - зазвичай пізніше їх початок і дуже мінливі симптоми.


5. Мітохондріальна спадковість

5.1. Спадкування по материнській лінії

У більшості багатоклітинних організмів мітохондріальна ДНК успадковується по материнській лінії. Яйцеклітина містить на кілька порядків більше копій мітохондріальної ДНК, ніж сперматозоїд. В сперматозоїді зазвичай не більше десятка мітохондрій (у людини - одна спірально закручена мітохондрія), в невеликих яйцеклітинах морського їжака - кілька сотень тисяч, а у великих ооцитах жаби - десятки мільйонів. Крім того, зазвичай відбувається деградація мітохондрій сперматозоїда після запліднення. [9]

При статевому розмноженні мітохондрії, як правило, успадковуються виключно по материнській лінії, мітохондрії сперматозоїда зазвичай руйнуються після запліднення. Крім того, більша частина мітохондрій сперматозоїда знаходяться в підставі джгутика, яке при заплідненні іноді втрачається. В 1999 було виявлено, що мітохондрії сперматозоїдів позначені убіквітин (білком-міткою, яка призводить до руйнування батьківських мітохондрій в зиготі). [10]

Так як мітохондріальна ДНК не є висококонсерватівной і має високу швидкість мутації, вона є хорошим об'єктом для вивчення філогенії (еволюційного спорідненості) живих організмів. Для цього визначають послідовності мітохондріальної ДНК у різних видів і порівнюють їх за допомогою спеціальних комп'ютерних програм і отримують еволюційне древо для вивчених видів. Дослідження мітохондріальних ДНК собак дозволило простежити походження собак від диких вовків. [11] Дослідження мітохондріальної ДНК в популяціях людини дозволило вирахувати " мітохондріальну Єву ", гіпотетичну прародительку всіх, хто живе в даний час людей.


5.2. Спадкування по батьківській лінії

Для деяких видів показана передача мітохондріальної ДНК по чоловічій лінії, наприклад, у мідій [12] [13]. Спадкування мітохондрій по батьківській лінії також описано для деяких комах, наприклад, для дрозофіли, [14] медоносних бджіл [15] і цикад. [16]

Існують також дані про мітохондріальної спадковості по чоловічій лінії у ссавців. Описані випадки такого наслідування для мишей, [17] [18] при цьому мітохондрії, отримані від самця, згодом відкидаються. Таке явище показано для овець [19] і клонованого великої рогатої худоби. [20] Також описаний єдиний випадок пов'язаний з безпліддям у чоловіка. [21].


6. Геном мітохондрій

У ссавців кожна молекула мтДНК містить 15000-17000 пар основ (у людини 16 565 пар нуклеотидів - дослідження закінчено в 1981 році [22], по іншому джерелу 16569 пар [23]) і містить 37 генів - 13 кодують білки, 22 - гени тРНК, 2 - рРНК (по одному гену для 12S і 16S рРНК). Інші багатоклітинні тварини мають схожий набір мітохондріальних генів, хоча деякі гени можуть іноді бути відсутнім. Генний склад мтДНК різних видів рослин, грибів і особливо протистов [24] різниться більш значно. Так, у жгутиконосци-якобіди Reclinomonas americana знайдений найбільш повний з відомих мітохондріальних геномів: він містить 97 генів, в тому числі 62 гена, що кодують білки (27 рибосомальних білків, 23 білка, що беруть участь в роботі електрон-транспортного ланцюга і в окисного фосфорилювання, а також субодиниці РНК-полімерази).

Один з найбільш маленьких мітохондріальних геномів має малярійний плазмодій (близько 6.000 п.о., містить два гени рРНК і три гени, що кодують білки).

Нещодавно відкриті рудиментарні мітохондрії (мітосоми) деяких протистов ( дизентерійної амеби, мікроспоридій і лямблій) не містять ДНК. [25]

Мітохондріальні геноми різних видів грибів містять від 19 431 (діляться дріжджі Schizosaccharomyces pombe) до 100314 ( сордаріоміцет Podospora anserina) пар нуклеотидів [26].

Деякі рослини мають величезні молекули мітохондріальної ДНК (до 25 мільйонів пар основ), при цьому містять приблизно ті ж гени і в тій же кількості, що й менші мтДНК. Довжина мітохондріальної ДНК може широко варіювати навіть у рослин одного сімейства. В мітохондріальної ДНК рослин є некодуючі повторювані послідовності.

Геном людини містить тільки по одному промотор на кожну комплементарную ланцюг ДНК [22].

Геном мітохондрій людини кодує такі білки і РНК:

Білки або РНК Гени
NADH-дегідрогеназ
(Комплекс I)
MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Кофермент Q - цитохром c редуктаза / Цитохром b
(Комплекс III)
MT-CYB
цитохром c оксидаза
(Комплекс IV)
MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
АТФ-синтаза MT-ATP6, MT-ATP8
рРНК MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
тРНК 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

7. Особливості мітохондріальної ДНК

Кодують послідовності ( кодони) мітохондріального геному мають деякі відмінності від кодують послідовностей універсальної ядерної ДНК.
Так, кодон AUA кодує в мітохондріальному геномі метіонін (замість ізолейцину в ядерній ДНК), кодони AGA і AGG - термінаторние кодони (в ядерній ДНК кодують аргінін), кодон UGA в мітохондріальному геномі кодує триптофан [22].
Якщо говорити точніше, то мова йде не про мітохондріальної ДНК, а про мРНК, яка списується (транскрибується) з цієї ДНК перед початком синтезу білка. Буква U в позначенні кодону позначає уридин, який при транскрипції гена в РНК замінює тимін.
Кількість генів тРНК (22 гена) менше, ніж в ядерному геномі з його 32 генами тРНК [22].
У людському мітохондріальному геномі інформація настільки сконцентрована, що в послідовностях кодують мРНК, як правило, частково видалені нуклеотиди, відповідні 3'-кінцевим термінаторним кодонам [22].


8. Застосування

Крім вивчення для побудови різних філогенетичних теорій, вивчення мітохондріального геному - основний інструмент при проведенні ідентифікації. Можливість ідентифікації пов'язана з існуючими в мітохондріальному геномі людини груповими і навіть індивідуальними відмінностями.

Примітки

  1. Джинкс Д., Нехромосомна спадковість, пров. з англ., М., 1966; Седжер Р., Гени поза хромосом, в кн.: Молекули і клітини, пров. з англ., М., 1966.
  2. Nass, MM & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm, Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics - www.jcb.org/cgi/reprint/19/3/593.pdf (PDF). In: J. Cell. Biol. Bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna, Австрія): "Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria" - www.biozentrum.unibas.ch/emeritus/schatz/pdf/Schatz_BBRC_1964.pdf (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127-132.
  4. Iborra FJ, Kimura H, Cook PR (2004). " The functional organization of mitochondrial genomes in human cells - www.biomedcentral.com/1741-7007/2/9 ". BMC Biol. 2: 9. DOI : 10.1186/1741-7007-2-9 - dx.doi.org/10.1186/1741-7007-2-9. PMID 15157274.
  5. Димшиц Г. М. Сюрпризи мітохондріального геному. Природа, 2002, N 6 [1] - vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_02/MITO.HTM
  6. Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I (1992). "Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues". Biochim Biophys Acta. 183: 553-559. PMID 1550563.
  7. doi: 10.1016/j.exppara.2006.04.005 - gemi.mpl.ird.fr/PDF/jt01.pdf
  8. (July 2004) " Mitochondrial DNA and aging - www.clinsci.org/cs/107/0355/1070355.pdf ". Clinical Science 107 (4): 355-364. DOI : 10.1042/CS20040148 - dx.doi.org/10.1042/CS20040148. PMID 15279618.
  9. Ченцов Ю. С. Загальна цитологія. - 3-е изд .. - МДУ, 1995. - 384 с. - ISBN 5-211-03055-9
  10. Sutovsky, P., et. al (Nov. 25, 1999). "Ubiquitin tag for sperm mitochondria". Nature 402: 371-372. DOI : 10.1038/46466 - dx.doi.org/10.1038/46466. PMID 10586873. Discussed in [2] - www.sciencenews.org/20000101/fob3.asp.
  11. Vil C, Savolainen P, Maldonado JE, and Amorin IR (13 June 1997). "Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog". Science 276: 1687-1689. DOI : 10.1126/science.276.5319.1687 - dx.doi.org/10.1126/science.276.5319.1687. ISSN 0036-8075 - worldcat.org/issn/0036-8075. PMID 9180076.
  12. Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM (1991). "Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA". Science 251: 1488-1490. DOI : 10.1126/science.1672472 - dx.doi.org/10.1126/science.1672472. PMID 1672472.
  13. Penman, Danny. Mitochondria can be inherited from both parents - www.newscientist.com/article.ns?id=dn2716, NewScientist.com (23 August 2002).
  14. Kondo R, Matsuura ET, Chigusa SI (1992). "Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method". Genet. Res. 59 (2): 81-4. PMID 1628820.
  15. Meusel MS, Moritz RF (1993). "Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs". Curr. Genet. 24 (6): 539-43. DOI : 10.1007/BF00351719 - dx.doi.org/10.1007/BF00351719. PMID 8299176.
  16. Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C (2007). "Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.)". PLoS One. 9: e892. DOI : 10.1371/journal.pone.0000892 - dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0000892.
  17. Gyllensten U, Wharton D, Josefsson A, Wilson AC (1991). "Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice". Nature 352 (6332): 255-7. DOI : 10.1038/352255a0 - dx.doi.org/10.1038/352255a0. PMID 1857422.
  18. Shitara H, Hayashi JI, Takahama S, Kaneda H, Yonekawa H (1998). "Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage". Genetics 148 (2): 851-7. PMID 9504930.
  19. Zhao X, Li N, Guo W, et al (2004). "Further evidence for paternal inheritance of mitochondrial DNA in the sheep (Ovis aries)". Heredity 93 (4): 399-403. DOI : 10.1038/sj.hdy.6800516 - dx.doi.org/10.1038/sj.hdy.6800516. PMID 15266295.
  20. Steinborn R, Zakhartchenko V, Jelyazkov J, et al (1998). "Composition of parental mitochondrial DNA in cloned bovine embryos". FEBS Lett. 426 (3): 352-6. DOI : 10.1016/S0014-5793 (98) 00350-0 - dx.doi.org/10.1016/S0014-5793 (98) 00350-0. PMID 9600265.
  21. Schwartz M, Vissing J (2002). "Paternal inheritance of mitochondrial DNA". N. Engl. J. Med. 347 (8): 576-80. DOI : 10.1056/NEJMoa020350 - dx.doi.org/10.1056/NEJMoa020350. PMID 12192017.
  22. 1 2 3 4 5 Айала Ф. Д. Сучасна генетика. 1987.
  23. http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/MitoDNA.html - chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/MitoDNA.html
  24. 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 and G Burger (1998). "Genome structure and gene content in protist mitochondrial DNAs". Nucleic Acids Research 26: 865-878. http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 - nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865
  25. en: Mitosome # cite_note-Leon04-7
  26. Дьяков Ю. Т., Шнирьова А. В., Сергєєв А. Ю. Введення в генетику грибів. - М .: Изд. центр "Академія", 2005. - С. 52. - ISBN 5-7695-2174-0

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Мітохондріальна Єва
ДНК-полімераза
Репарація ДНК
Гаплогруппа CT (Y-ДНК)
Гаплогруппа R1 (Y-ДНК)
Гібридизація ДНК
Метилювання ДНК
Гаплогруппа R (Y-ДНК)
ДНК-дактилоскопія
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru