ADN mitocondrial

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 16 iulie 2022; verificările necesită 2 modificări .

ADN-ul mitocondrial ( mtDNA ) este ADN -ul găsit (spre deosebire de ADN-ul nuclear ) în mitocondrii , organelele celulelor eucariote .

Genele codificate în ADN-ul mitocondrial aparțin grupului de plasmogeni situati în afara nucleului (în afara cromozomului ). Totalitatea acestor factori ai eredității, concentrați în citoplasma celulei , constituie plasmonul unui anumit tip de organism (spre deosebire de genomul) [1] .

Istoricul descoperirilor

ADN-ul mitocondrial a fost descoperit de Margit Nass și Sylvain Nass în 1963 la Universitatea din Stockholm folosind microscopia electronică [2] și independent de oamenii de știință Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi și Gottfried Schatz în analiza biochimică a fracțiilor mitocondriale de drojdie de la Universitatea din Viena în 1964 . . [3]

Teorii despre originea ADN-ului mitocondrial

Conform teoriei endosimbiotice , ADN-ul mitocondrial provine din moleculele circulare de ADN ale bacteriilor și, prin urmare, are o origine diferită de genomul nuclear . Acum predomină punctul de vedere conform căruia mitocondriile sunt de origine monofiletică , adică au fost dobândite de strămoșii eucariotelor o singură dată.

Pe baza asemănării secvențelor de nucleotide ADN, cele mai apropiate rude ale mitocondriilor dintre procariotele vii sunt alfa-proteobacterii (în special, s-a emis ipoteza că rickettsia sunt aproape de mitocondrii ). O analiză comparativă a genomilor mitocondriali arată că, în cursul evoluției, genele strămoșilor mitocondriilor moderne s-au mutat treptat în nucleul celular. Unele caracteristici ale ADN-ului mitocondrial rămân neexplicate din punct de vedere evolutiv (de exemplu, un număr destul de mare de introni , utilizarea neconvențională a tripleților și altele). Datorită dimensiunii limitate a genomului mitocondrial, majoritatea proteinelor mitocondriale sunt codificate în nucleu. În același timp, majoritatea ARNt-urilor mitocondriale sunt codificate de genomul mitocondrial.

Forme și numere de molecule de ADN mitocondrial

În majoritatea organismelor studiate, mitocondriile conțin doar molecule circulare de ADN, în unele plante sunt prezente atât molecule circulare, cât și molecule liniare în același timp, iar într-un număr de protisti (de exemplu, ciliați ) există doar molecule liniare. [5]

Mitocondriile de mamifere conțin de obicei două până la zece copii identice ale moleculelor circulare de ADN. [6]

La plante, fiecare mitocondrie conține mai multe molecule de ADN de dimensiuni diferite care sunt capabile de recombinare.

La protistele din ordinul kinetoplastidelor (de exemplu, în tripanozomi ), o secțiune specială a mitocondriilor ( cinetoplast ) conține două tipuri de molecule de ADN - maxi-inele identice (20-50 bucăți) cu o lungime de aproximativ 21 kb. și mini-inele (20.000-55.000 bucăți, aproximativ 300 de soiuri, lungime medie aproximativ 1000 bp). Toate inelele sunt conectate într-o singură rețea ( catene ), care este distrusă și restaurată cu fiecare ciclu de replicare. Maxi-inelele sunt omoloage cu ADN-ul mitocondrial al altor organisme. Fiecare mini-inel conține patru regiuni similare conservate și patru regiuni hipervariabile unice. [7] Moleculele scurte de ARN ghid ( guida ARN ) sunt codificate în minicercuri, care editează ARN-ul transcris din genele maxicercurilor.

Stabilitatea ADN mitocondrial

ADN-ul mitocondrial este deosebit de sensibil la speciile reactive de oxigen generate de lanțul respirator datorită proximității lor. Deși ADN-ul mitocondrial este asociat cu proteine, rolul lor protector este mai puțin pronunțat decât în ​​cazul ADN-ului nuclear. Mutațiile în ADN-ul mitocondrial pot cauza boli ereditare cu transmitere maternă . Există, de asemenea, date care indică o posibilă contribuție a mutațiilor ADN mitocondrial la procesul de îmbătrânire și dezvoltarea patologiilor legate de vârstă. [8] La om, ADN-ul mitocondrial este de obicei prezent în 100-10.000 de copii per celulă ( sperma și ovulele sunt excepții). Multiplicitatea genomilor mitocondriali este asociată cu trăsăturile manifestării bolilor mitocondriale  - de obicei debutul lor târziu și simptomele foarte variabile.

Moștenirea mitocondrială

Moștenirea maternă

În majoritatea organismelor multicelulare, ADN-ul mitocondrial este moștenit matern. Ovulul conține câteva ordine de mărime mai multe copii de ADN mitocondrial decât spermatozoizii. Într-un spermatozoid, de obicei nu există mai mult de o duzină de mitocondrii (la om - o mitocondrie răsucită în spirală), în ouăle mici de arici de mare - câteva sute de mii și în ovocite mari de broaște - zeci de milioane. În plus, mitocondriile spermatozoizilor suferă de obicei degradare după fertilizare [9] .

În timpul reproducerii sexuale, mitocondriile sunt de obicei moștenite exclusiv prin linia maternă, mitocondriile spermatozoizilor sunt de obicei distruse după fertilizare. În plus, majoritatea mitocondriilor spermatozoizilor sunt situate la baza flagelului , care se pierde uneori în timpul fertilizării. În 1999, s-a descoperit că mitocondriile spermatozoizilor sunt marcate cu ubiquitină (o proteină marcată care duce la distrugerea mitocondriilor paterne în zigot) [10] .

Deoarece ADN-ul mitocondrial nu este foarte conservat și are o rată mare de mutație , este un obiect bun pentru studiul filogeniei (relației evolutive) a organismelor vii. Pentru a face acest lucru, secvențele de ADN mitocondrial la diferite specii sunt determinate și comparate folosind programe speciale de calculator și se obține un arbore evolutiv pentru speciile studiate. Studiul ADN-ului mitocondrial al câinilor a făcut posibilă urmărirea originii câinilor de la lupii sălbatici [11] . Studiul ADN-ului mitocondrial la populațiile umane a făcut posibilă calcularea „ Evei mitocondriale ”, progenitorul ipotetic al tuturor oamenilor în viață.

Moștenirea paternă

Pentru unele specii, transmiterea ADN-ului mitocondrial prin linia masculină a fost demonstrată , de exemplu, la midii [12] [13] . Moștenirea mitocondrială paternă a fost descrisă și pentru unele insecte, cum ar fi Drosophila , [14] albinele [15] și cicadele . [16]

Există, de asemenea, dovezi ale moștenirii masculine mitocondriale la mamifere. Au fost descrise cazuri de astfel de moștenire la șoareci [17] [18] , mitocondriile obținute de la mascul fiind ulterior respinse. Acest fenomen a fost demonstrat pentru ovine [19] și bovine clonate. [douăzeci]

Moștenirea paternă la om

Până de curând, se credea că mitocondriile umane sunt moștenite doar prin linie maternă. În 2002, a existat un singur caz cunoscut al unui pacient despre care s-a descoperit în mod sigur că avea ADN mitocondrial patern [21] .

Doar un studiu recent din 2018 a arătat că ADN-ul mitocondrial uman poate fi transmis uneori prin linia paternă. O cantitate mică de mitocondrii paterne poate intra în ovulul mamei împreună cu citoplasma spermatozoizilor, dar, de regulă, mitocondriile paterne dispar apoi din zigot. S-a constatat însă că unele persoane au „o mutație care ajută mitocondriile tatălui să supraviețuiască” [22] .

Genomul mitocondrial

La mamifere, fiecare moleculă de ADNmt conține 15000-17000 de perechi de baze (la om, 16565 perechi de baze - studiul a fost finalizat în 1981 [23] , conform unei alte surse 16569 perechi de baze [24] ) și conține 37 de gene - 13 codifică proteine ​​[ 25] , gene 22 - ARNt , 2 - ARNr (o genă pentru ARNr 12S și 16S). Alte animale multicelulare au un set similar de gene mitocondriale, deși unele gene pot lipsi uneori. Compoziția genei mtDNA a diferitelor specii de plante, ciuperci și în special protisti [26] diferă mai semnificativ. Astfel, cel mai complet dintre genomul mitocondrial cunoscut a fost găsit în flagelatul Jacobid Reclinomonas americana : conține 97 de gene , inclusiv 62 de gene care codifică proteine ​​(27 de proteine ​​ribozomale , 23 de proteine ​​implicate în funcționarea lanțului de transport de electroni și în fosforilarea oxidativă , precum și subunități ale ARN polimerazei ).

Unul dintre cei mai mici genomi mitocondriali are plasmodiul malaric (aproximativ 6.000 bp, conține două gene ARNr și trei gene care codifică proteine).

Mitocondriile vestigiale ( mitozomi ) descoperite recent ale unor protiste ( dizenteria amibei , microsporidia și giardia ) nu conțin ADN.

Genoamele mitocondriale ale diferitelor specii de ciuperci conțin de la 19431 (drojdie de fisiune Schizosaccharomyces pombe ) până la 100314 ( sordariomycete Podospora anserina ) perechi de baze [27] .

Unele plante au molecule uriașe de ADN mitocondrial (până la 25 de milioane de perechi de baze) care conțin aproximativ aceleași gene și în aceeași cantitate ca ADNmt mai mic. Lungimea ADN-ului mitocondrial poate varia mult chiar și la plantele din aceeași familie. ADN-ul mitocondrial al plantelor conține secvențe repetitive necodante.

Genomul uman conține un singur promotor pentru fiecare catenă complementară de ADN [23] .

Genomul mitocondrial uman codifică următoarele proteine ​​și ARN:

Proteine ​​sau ARN Genele
NADH dehidrogenaza
(complexul I)		 MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Coenzima Q - citocrom c reductază/Citocrom b
(complex III)		 MT-CYB
citocrom c oxidaza
(complexul IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP sintetaza MT-ATP6 , MT-ATP8
ARNr MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
ARNt 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

Caracteristicile ADN-ului mitocondrial

Secvențele de codificare ( codoni ) ale genomului mitocondrial au unele diferențe față de secvențele de codificare ale ADN-ului nuclear universal.

Astfel, codonul AUA din genomul mitocondrial codifică metionina (în loc de izoleucina din ADN-ul nuclear), codonii AGA și AGG sunt codoni terminatori (în ADN-ul nuclear ei codifică arginina ), iar codonul UGA din genomul mitocondrial codifică triptofanul [23] .

Pentru a fi mai precis, nu vorbim despre ADN mitocondrial, ci despre ARNm , care este eliminat (transcris) din acest ADN înainte de a începe sinteza proteinelor. U din denumirea codonului reprezintă uracil , care înlocuiește timina atunci când gena este transcrisă în ARN .

Numărul de gene ARNt (22 de gene) este mai mic decât în ​​genomul nuclear cu cele 32 de gene ARNt [23] .

În genomul mitocondrial uman, informațiile sunt atât de concentrate încât, de regulă, nucleotidele corespunzătoare codonilor terminatori 3’-terminali sunt parțial șterse în secvențele care codifică ARNm [23] .

Aplicație

Pe lângă faptul că este utilizat în construirea diferitelor teorii filogenetice, studiul genomului mitocondrial este principalul instrument de identificare . Posibilitatea identificării este asociată cu diferențele de grup și chiar individuale existente în genomul mitocondrial uman.

Secvența regiunii genei subunității I citocrom c oxidazei, codificată în ADN-ul mitocondrial, este utilizată pe scară largă în proiecte legate de codarea de bare ADN -ului animalelor, adică determinând dacă un organism aparține unui anumit taxon pe baza markerilor scurti din ADN-ul său [28] [29] . Pentru codarea de bare a plantelor, se utilizează în principal o combinație de doi markeri în ADN-ul plastidului [30] .

Grupul lui Shukhrat Mitalipov de la Centrul pentru celulele embrionare și terapia genică de la Universitatea din Oregon a dezvoltat o metodă de înlocuire a ADN-ului mitocondrial pentru a trata bolile mitocondriale ereditare. Acum, în Marea Britanie, au început studiile clinice ale acestei metode, care au primit denumirea neoficială „tehnica bebelușului cu trei părinți” - „un copil din trei părinți”. Se știe și despre nașterea unui copil în Mexic ca urmare a acestei proceduri [31] .

Note

  1. ↑ Jinks, D., Moștenirea noncromozomială, trad. din engleză, M., 1966; Sadger R., Genes outside of chromosomes, în: Molecules and Cells, trad. din engleză, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963 la Institutul Wenner-Gren pentru Biologie Experimentală, Universitatea din Stockholm , Stockholm , Suedia ): Fibre intramitocondriale cu caracteristici ADN Arhivat la 10 septembrie 2008 la Wayback Machine (PDF). În: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ^ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy și Gottfried Schatz (1964 la Institutul de Biochimie de la Facultatea de Medicină a Universității din Viena din Viena , Austria ): „Acid dezoxiribonucleic asociat cu mitocondriile drojdiei” (PDF) Biochem. Biophys. Res. comun. 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR Organizarea funcțională a genomilor mitocondriali în celulele umane  // BMC Biol  . : jurnal. - 2004. - Vol. 2 . — P. 9 . - doi : 10.1186/1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. Surprises of the mitocondrial genome. Priroda, 2002, N 6 . Preluat la 18 mai 2014. Arhivat din original la 28 iulie 2012.
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Numărarea moleculelor țintă prin reacție exponențială a polimerazei în lanț, numărul de copii ale ADN mitocondrial în țesuturile de șobolan  //  Biochim Biophys Acta. : jurnal. - 1992. - Vol. 183 . - P. 553-559 . — PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (downlink) . Preluat la 11 mai 2009. Arhivat din original la 31 martie 2011. 
  8. ↑ Alexeyev, Mihail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. ADN mitocondrial și îmbătrânirea (neopr.)  // Știință clinică. - 2004. - iulie ( vol. 107 , nr. 4 ). - S. 355-364 . - doi : 10.1042/CS20040148 . — PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chentsov Yu. S. Citologie generală. - Ed. a 3-a. - Universitatea de Stat din Moscova, 1995. - 384 p. — ISBN 5-211-03055-9 .
  10. ↑ Sutovsky, P., et. al. Eticheta de ubiquitin pentru mitocondriile spermatozoizilor  (engleză)  // Natura . nov. 25, 1999. Voi. 402 . - P. 371-372 . - doi : 10.1038/46466 . — PMID 10586873 . Discutat în [1] Arhivat 19 decembrie 2007 la Wayback Machine
  11. ↑ Vilà C., Savolainen P., Maldonado JE și Amorin IR Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog  // Science  :  journal. - 1997. - 13 iunie ( vol. 276 ). - P. 1687-1689 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.276.5319.1687 . — PMID 9180076 .
  12. ↑ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM Heteroplasmy sugerează moștenirea biparentală limitată a ADN-ului mitocondrial Mytilus  //  Science : journal. - 1991. - Vol. 251 . - P. 1488-1490 . - doi : 10.1126/science.1672472 . — PMID 1672472 .
  13. ↑ Penman, Danny . Mitocondriile pot fi moștenite de la ambii părinți , NewScientist.com  (23 august 2002). Arhivat din original pe 11 octombrie 2008. Recuperat la 5 februarie 2008.
  14. ↑ Kondo R., Matsuura ET, Chigusa SI Observarea suplimentară a transmiterii paterne a ADN-ului mitocondrial Drosophila prin metoda de amplificare selectivă PCR   // Genet . Res. : jurnal. - 1992. - Vol. 59 , nr. 2 . - P. 81-4 . — PMID 1628820 .
  15. ↑ Meusel MS, Moritz RF Transferul ADN-ului mitocondrial patern în timpul fertilizării ouălor de albine (Apis mellifera L.)  //  Curr. Genet. : jurnal. - 1993. - Vol. 24 , nr. 6 . - P. 539-543 . - doi : 10.1007/BF00351719 . — PMID 8299176 .
  16. ↑ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C. Evidence for paternal leakage in hybrid periodic cicades (Hemiptera: Magicicada spp.)  (spanish)  // PLoS One. : diario. - 2007. - V. 9 . —P.e892 . _ - doi : 10.1371/journal.pone.0000892 .
  17. ↑ Gyllensten U., Wharton D., Josefsson A., Wilson AC Moștenirea paternă a ADN-ului mitocondrial la șoareci   // Nature . - 1991. - Vol. 352 , nr. 6332 . - P. 255-257 . - doi : 10.1038/352255a0 . — PMID 1857422 .
  18. ^ Shitara H., Hayashi JI, Takahama S., Kaneda H., Yonekawa H. Maternal heritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage  //  Genetics : journal. - 1998. - Vol. 148 , nr. 2 . - P. 851-857 . — PMID 9504930 .
  19. ↑ Zhao X., Li N., Guo W., și colab . Dovezi suplimentare pentru moștenirea paternă a ADN-ului mitocondrial la oaie (Ovis aries  )  // Ereditatea: jurnal. - 2004. - Vol. 93 , nr. 4 . - P. 399-403 . - doi : 10.1038/sj.hdy.6800516 . — PMID 15266295 .
  20. ↑ Steinborn R., Zakhartchenko V., Jelyazkov J., și colab . Compoziția ADN-ului mitocondrial parental în embrioni de bovine clonați  (engleză)  // FEBS Lett. : jurnal. - 1998. - Vol. 426 , nr. 3 . - P. 352-356 . - doi : 10.1016/S0014-5793(98)00350-0 . — PMID 9600265 .
  21. ↑ Schwartz M., Vissing J. Moștenirea paternă a ADN-ului mitocondrial   // N. Engl . J. Med.  : jurnal. - 2002. - Vol. 347 , nr. 8 . - P. 576-580 . - doi : 10.1056/NEJMoa020350 . — PMID 12192017 .
  22. ↑ ADN-ul mitocondrial poate fi transmis prin linia paternă • Polina Loseva • Știri științifice despre Elemente • Genetică, Microbiologie . Preluat la 24 decembrie 2018. Arhivat din original la 24 decembrie 2018.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 Ayala F. D. Genetica modernă. 1987.
  24. ↑ Copie arhivată (link nu este disponibil) . Consultat la 10 octombrie 2009. Arhivat din original la 13 august 2011. 
  25. ↑ Danilenko N. G., Davydenko O. G. - Lumile genomilor de organele
  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 și G Burger. Structura genomului și conținutul de gene în ADN-ul mitocondrial protist   // Cercetarea acizilor nucleici : jurnal. - 1998. - Vol. 26 . - P. 865-878 . http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865 Arhivat la 29 august 2008 la Wayback Machine
  27. ↑ Dyakov Yu. T., Shnyreva A. V., Sergeev A. Yu. Introducere în genetica ciupercilor . - M .: ed. Centrul „Academia”, 2005. - S.  52 . — ISBN 5-7695-2174-0 .
  28. ↑ Paul D.N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard. Identificări biologice prin coduri de bare ADN  //  Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. - 2003-02-07. — Vol. 270 , iss. 1512 . - P. 313-321 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2002.2218 . Arhivat din original pe 19 aprilie 2016.
  29. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan. 20 de ani de la introducerea codurilor de bare ADN: de la teorie la aplicare  // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. - T. 55 , nr. 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. Un cod de bare ADN pentru plante terestre  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences . - Academia Națională de Științe , 2009-08-04. — Vol. 106 , iss. 31 . - P. 12794-12797 . — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0905845106 . Arhivat din original pe 24 mai 2016.
  31. ↑ Alla Astakhova. Lucru bun - 2 . Blog de sănătate (22 august 2017). Preluat la 23 august 2017. Arhivat din original la 23 august 2017.

Link -uri

Vezi și

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Tipuri de acizi nucleici
Baze azotate
Nucleozide
Nucleotide
ARN
ADN
Analogii
Tipuri de vectori