Мітахандрыяльная ДНК

Схема мітахандрыяльнага геному чалавека

Мітахандрыяльная ДНК (мтДНК) — ДНК, якая знаходзіцца (у адрозненне ад ядзернай ДНК) у мітахондрыях, арганоідах эукарыятычных клетак.

Гены, закадаваныя ў мітахандрыяльнай ДНК, ставяцца да групе плазмагенаў, размешчаных па-за ядром (па-за храмасомай). Сукупнасць гэтых фактараў спадчыннасці, засяроджаных у цытаплазме клеткі, складае плазмон дадзенага віду арганізмаў (у адрозненне ад геному).

Гісторыя адкрыцця

Мітахандрыяльная ДНК была адкрыта Маргіт Нас і Сільвен Нас ў 1963 годзе ў Стакгольмскім універсітэце пры дапамозе электроннай мікраскапіі і, незалежна, навукоўцамі Элен Харлсбрунер, Гансам Тупі і Готфрыдам Шацэм пры біяхімічным аналізе фракцый мітахондрый дрожджаў ў Венскім універсітэце ў 1964 годзе.

Тэорыі ўзнікнення мітахандрыяльнай ДНК

Згодна з эндасімбіятычнай тэорыяй, мітахандрыяльная ДНК паходзіць ад колцавых малекул ДНК бактэрый і таму мае іншае паходжанне, чым ядзерны геном. Цяпер пераважае пункт гледжання, згодна з якой мітахондрыі маюць монафілетычнае паходжанне, гэта значыць былі набыты продкамі эукарыёт толькі аднойчы.

На падставе падабенства ў паслядоўнасцях нуклеатыдаў ДНК бліжэйшымі сваякамі мітахондрый сярод пракарыётаў, якія жывуць цяпер лічаць альфа-пратэабактэрый (у прыватнасці, была прапанавана гіпотэза, што да мітахондрыяў блізкія рыкетсіі). Параўнальны аналіз геномаў мітахондрый паказвае, што ў ходзе эвалюцыі адбывалася паступовае перамяшчэнне генаў продкаў сучасных мітахондрый ў ядро клеткі. Невытлумачальнымі з эвалюцыйнай кропкі гледжання застаюцца некаторыя асаблівасці мітахандрыяльнай ДНК (напрыклад, даволі вялікая колькасць інтронаў, нетрадыцыйнае выкарыстанне трыплетаў і іншыя). З прычыны абмежаванага памеру мітахандрыяльнага геному вялікая частка мітахандрыяльнай бялкоў кадуецца ў ядры. Пры гэтым вялікая частка мітахандрыяльнай тРНК кадуюцца мітахандрыяльным геномам.

Формы і колькасць малекул мітахандрыяльнай ДНК

Электронная мікраскапія паказвае пэўнае размяшчэнне мтДНК у мітахондрыях чалавека. Раздяленне 200 нм. (A) папярочны Сячэнне праз цытаплазму пасля афарбоўвання мтДНК часцінкамі золата. (B) Цытаплазма пасля экстракцыі; мтДНК, звязаныя з часцінкамі золата, засталіся на месцы. З артыкула Iborra et al., 2004.

У большасці вывучаных арганізмаў мітахондрыі ўтрымліваюць толькі кальцавыя малекулы ДНК, у некаторых раслін адначасова прысутнічаюць і кальцавыя і лінейныя малекулы, а ў шэрагу пратыстаў (напрыклад, інфузорый) маюцца толькі лінейныя малекулы.

Мітахондрыі млекакормячых звычайна ўтрымліваюць ад двух да дзесяці ідэнтычных копій кальцавых малекул ДНК.

У раслін кожная мітахондрый змяшчае некалькі малекул ДНК рознага памеру, якія здольныя да рэкамбінацыі.

У пратыстаў з атрада кінетапластыдаў (напрыклад, у трыпанасомаў) у адмысловым участку мітахондрыі (кінетапласце) змяшчаецца два тыпы малекул ДНК — ідэнтычныя максі-кольцы (20-50 штук) даўжынёй каля 21 т. п. а. і міні-кольцы (20 000-55 000 штук, каля 300 разнавіднасцяў, сярэдняя даўжыня каля 1000 п. а.). Усе кольцы злучаныя ў адзіную сетку (катенаны), якая руйнуецца і аднаўляецца пры кожным цыкле рэплікацыі. Максі-кольцы гамалагічных мітахандрыяльнай ДНК іншых арганізмаў. Кожнае міні-кальцо змяшчае чатыры падобных кансерватыўных ўчастка і чатыры унікальных гіперварыябельных ўчастка. У міні-кольцах закадаваныя кароткія малекулы накіроўваючых РНК (guideRNA), якія ажыццяўляюць рэдагаванне РНК, транскрыбіруемых з генаў максі-кольцаў.

Устойлівасць мітахандрыяльнай ДНК

Мітахандрыяльная ДНК асабліва адчувальная да актыўных формаў кіслароду, якія генеруюцца дыхальнай ланцугом, у сувязі з іх непасрэднай блізкасцю. Хоць мітахандрыяльная ДНК звязана з бялкамі, іх ахоўная роля менш выказана, чым у выпадку ядзернай ДНК. Мутацыі ў ДНК мітахондрый могуць выклікаць спадчынныя захворванні якіяя перадаюць па мацярынскай лініі. Таксама маюцца дадзеныя, якія паказваюць на магчымы ўклад мутацыі мітахандрыяльнай ДНК у працэс старэння і развіццё узроставых паталогій. У чалавека мітахандрыяльная ДНК звычайна прысутнічае ў колькасці 100-10000 копій на клетку (сперматазоіды і яйцаклеткі з'яўляюцца выключэннем). З множнасцю мітахандрыяльнай геномаў звязаны асаблівасці праявы мітахандрыяльных хвароб — звычайна позні іх пачатак і вельмі зменлівыя сімптомы.

Мітахандрыяльная спадчыннасць

Атрыманне ў спадчыну па мацярынскай лініі

У большасці мнагаклетачных арганізмаў мітахандрыяльная ДНК перадаецца па мацярынскай лініі. Яйкаклетка змяшчае на некалькі парадкаў больш копій мітахандрыяльнай ДНК, чым сперматазоід. У сперматазоідзе звычайна не больш за дзесятак мітахондрый (у чалавека — адна спіральна закручаная мітахондрыя), у невялікіх яйцаклетках марскога яжа — некалькі сотняў тысяч, а ў буйных аацытах жабы — дзесяткі мільёнаў. Акрамя таго, звычайна адбываецца дэградацыя мітахондрый сперматазоіда пасля апладнення.

Пры палавым размнажэнні мітахондрыі, як правіла, перадаюцца выключна па мацярынскай лініі, мітахондрыі сперматазоіда звычайна руйнуюцца пасля апладнення. Акрамя таго, большая частка мітахондрый сперматазоіда знаходзяцца ў аснове жгуціка, які пры апладненні часам губляецца. У 1999 годзе было выяўлена, што мітахондрыі сперматазоідаў пазначаныя убіквіцінам (бялком-меткай, якая прыводзіць да разбурэння бацькоўскіх мітахондрый ў зігоце).

Паколькі мітахандрыяльная ДНК не з'яўляецца высокакансерватыўнай і мае высокую хуткасць муціравання, яна з'яўляецца добрым аб'ектам для вывучэння філагеніі (эвалюцыйнага сваяцтва) жывых арганізмаў. Для гэтага вызначаюць паслядоўнасці мітахандрыяльнай ДНК у розных відаў і параўноўваюць іх пры дапамозе спецыяльных камп'ютэрных праграмаў і атрымліваюць эвалюцыйнае дрэва для вывучаных відаў. Даследаванне мітахандрыяльнай ДНК сабакаў дазволіла прасачыць паходжанне сабакаў ад дзікіх ваўкоў. Даследаванне мітахандрыяльнай ДНК у папуляцыях чалавека дазволіла вылічыць «мітахандрыяльную Еву», гіпатэтычную прамаці ўсіх людзей, якія жывуць у наш час.

Атрыманне ў спадчыну па бацькоўскай лініі

Для некаторых відаў паказаная перадача мітахандрыяльнай ДНК па мужчынскай лініі, напрыклад, у мідый. Атрыманне ў спадчыну мітахондрый па бацькоўскай лініі таксама апісана для некаторых насякомых, напрыклад, для дразафілы, медоносных пчолаў і цыкадаў.

Існуюць таксама дадзеныя аб мітахандрыялнай перадачы па мужчынскай лініі ў млекакормячых. Апісаны выпадкі такой перадачы ў спадчыну для мышэй, пры гэтым мітахондрыі, атрыманыя ад самца, пасля адрываюцца. Такая з'ява паказана для авечак і кланаванай буйной рагатай жывёлы. Таксама апісаны адзіны выпадак, звязаны з бясплоддзем у мужчыны..

Геном мітахондрый

У млекакормячых кожная малекула мтДНК змяшчае 15000-17000 пар аснаванняў (у чалавека 16565 пар нуклеатыдаў — даследаванне скончана ў 1981 годзе, паводле іншай крыніцы 16569 пар) і змяшчае 37 генаў — 13 кадуюць бялкі, 22 — гены тРНК, 2 — рРНК (па адным гену для 12S і 16S рРНК). Іншыя шматклеткавыя жывёлы маюць падобны набор мітахандрыяльных генаў, хоць некаторыя гены могуць часам адсутнічаць. Генны склад мтДНК розных відаў раслін, грыбоў і асабліва пратыстаў адрозніваецца больш значна. Так, у жгутыканосца-якабіды Reclinomonas americana знойдзены найбольш поўны з вядомых мітахандрыяльных геномаў: ён змяшчае 97 генаў, у тым ліку 62 гена, кадавальныя бялкі (27 рыбасамальных бялкоў, 23 бялкі, якія ўдзельнічаюць у працы электрон-транспартнага ланцуга і ў акісляльнам фасфарыліраванні, а таксама субадзінак РНК-палімеразы).

Адзін з найбольш маленькіх мітахандрыяльнай геномаў мае малярыйны плазмодый (каля 6.000 п.а., змяшчае два гены рРНК і тры гены, якія кадуюць бялкі).

Нядаўна адкрытыя рудыментарныя мітахондрыі (мітасомы) некаторых пратыстаў (дызентэрыйнай амёбы, мікраспарыдый і лямблій) не ўтрымліваюць ДНК.

Мітахандрыяльныя геномы розных відаў грыбоў утрымліваюць ад 19 431 (дрожджы Schizosaccharomyces pombe) да 100 314 (сардарыёміцэт Podospora anserina) пар нуклеатыдаў.

Некаторыя расліны маюць велізарныя малекулы мітахандрыяльнай ДНК (да 25 мільёнаў пар аснаванняў), якія пры гэтым змяшчаюць прыкладна тыя ж гены і ў той жа колькасці, што і меншыя мтДНК. Даўжыня мітахандрыяльнай ДНК можа шырока вар'іравацца нават у раслін аднаго сямейства. У мітахандрыяльнай ДНК раслін маюцца некадуючыя паслядоўнасці якія паўтараюцца.

Геном чалавека змяшчае толькі па адным праматору на кожную камплементарны ланцуг ДНК.

Геном мітахондрый чалавека кадуе наступныя бялкі і РНК:

Бялкі або РНК Гены
NADH-дэгідрагеназа
(комплекс I) 		MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Кафермент Q - цытахром c рэдуктаза/Цытахром b

(комплекс III)

MT-CYB
цытахром с аксідаза

(комплекс IV)

MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
АТФ-сінтаза 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

Асаблівасці мітахандрыяльнай ДНК

Кадавальныя паслядоўнасці (каданом) мітахандрыяльнага геному маюць некаторыя адрозненні ад кадавальных паслядоўнасцяў універсальнай ядзернай ДНК.

Так, кодон AUA кадуе у мітахандрыяльным геноме метыянін (замест ізалейцына ў ядзернай ДНК), кадонам AGA і AGG — тэрмінатарные кадоны (у ядзернай ДНК кадуюць аргінін), кадон UGA у мітахандрыяльным геноме кадуе трыптафан.

Калі казаць дакладней, то гаворка ідзе не аб мітахандрыяльнай ДНК, а пра мРНК, якая спісваецца (транскрыбуецца) з гэтай ДНК перад пачаткам сінтэзу бялку. Літара U у пазначэнні кадона пазначае урыдзін, які пры транскрыпцыі РНК гена ў замяняе тымін.

Колькасць генаў тРНК (22 гена) менш, чым у ядзерным геноме з яго 32 генамі тРНК.

У чалавечым мітахандрыяльным геноме інфармацыя настолькі сканцэнтраваная, што ў паслядоўнасцях кадавальных мРНК, як правіла, часткова выдаленыя нуклеатыды, якія адпавядаюць 3'-канцавым тэрмінатарным кадонам.

Прымяненне

Акрамя выкарыстання пры пабудове розных філагенетычных тэорый, вывучэнне мітахандрыяльнага геному — асноўны інструмент пры правядзенні ідэнтыфікацыі. Магчымасць ідэнтыфікацыі звязана з існуючымі ў мітахандрыяльным геноме чалавека групавымі і нават індывідуальнымі адрозненнямі.

Паслядоўнасць ўчастка гена субадзінке I цытахром с-аксідазы, кадаваных ў мітахандрыяльнай ДНК, шырока выкарыстоўваецца ў праектах, звязаных з ДНК-баркадаваннем жывёл - вызначэннем прыналежнасці арганізма да таму ці іншаму таксону на аснове кароткіх маркераў ў яго ДНК. Для баркадавання раслін выкарыстоўваецца пераважна камбінацыя двух маркераў ў пласціднай ДНК.

Група Шухрата Міталіпава з цэнтра эмбрыянальных клетак і геннай тэрапіі Арэгонскага ўніверсітэта распрацавала метад замены мітахандрыяльнай ДНК для лячэння спадчынных мітахандрыяльных захворванняў. Цяпер у Вялікабрытаніі пачатыя клінічныя выпрабаванні гэтага метаду, які атрымаў неафіцыйную назву «3-parent baby technique» - «дзіця ад трох бацькоў». Вядома таксама аб нараджэнні ў выніку гэтай працэдуры дзіцяці ў Мексіцы.

Зноскі

  1. ↑ Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.
  2. ↑ Nass, M.M. & Nass, S. (1963 at the Wenner-Gren Institute for Experimental Biology, Stockholm University, Stockholm, Sweden): Intramitochondrial Fibers with DNA characteristics (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, Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (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". BMC Biol. 2: 9. doi:10.1186/1741-7007-2-9. PMC 425603. PMID 15157274.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  5. ↑ Дымшиц Г. М. Сюрпризы митохондриального генома. Природа, 2002, N 6
  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.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 Архівавана 31 сакавіка 2011.
  8. ↑ Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. (July 2004). "Mitochondrial DNA and aging" (PDF). Clinical Science. 107 (4): 355–364. doi:10.1042/CS20040148. PMID 15279618.
  9. ↑ Ченцов Ю. С. Общая цитология. — 3-е изд. — МГУ, 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. PMID 10586873. {{cite journal}}: Непасрэднае ўжыванне et al. у: |author= (даведка); Праверце значэнне даты ў: |year= (даведка) Discussed in Архівавана 19 снежня 2007.
  11. ↑ Vilà 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. ISSN 0036-8075. PMID 9180076.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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. PMID 1672472.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  13. ↑ Penman, Danny (23 August 2002). "Mitochondria can be inherited from both parents". NewScientist.com. Архівавана з арыгінала 11 кастрычніка 2008. Праверана 2008-02-05. {{cite news}}: Невядомы параметр |deadurl= ігнараваны (прапануецца |url-status=) (даведка); Праверце значэнне даты ў: |date= (даведка)
  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.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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. 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.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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. PMID 1857422.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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. PMID 15266295. {{cite journal}}: Непасрэднае ўжыванне et al. у: |author= (даведка)Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  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. PMID 9600265. {{cite journal}}: Непасрэднае ўжыванне et al. у: |author= (даведка)Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)
  21. ↑ Schwartz M, Vissing J (2002). "Paternal inheritance of mitochondrial DNA". N. Engl. J. Med. 347 (8): 576–80. doi:10.1056/NEJMoa020350. PMID 12192017.
  22. ↑ а б в г д Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.
  23. ↑ http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/MitoDNA.html Архівавана 13 жніўня 2011.
  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.{{cite journal}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: authors list (link)http://nar.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/26/4/865
  25. ↑ en:Mitosome#cite note-Leon04-7
  26. ↑ Дьяков Ю. Т., Шнырева А. В., Сергеев А. Ю. Введение в генетику грибов. — М.: изд. центр «Академия», 2005. — С. 52. — ISBN 5-7695-2174-0.
  27. ↑ Paul D. N. Hebert, Alina Cywinska, Shelley L. Ball, Jeremy R. deWaard Biological identifications through DNA barcodes. — 2003-02-07. — В. 1512. — Т. 270. — С. 313–321. — ISSN 0962-8452. — DOI:10.1098/rspb.2002.2218
  28. ↑ Živa Fišer Pečnikar, Elena V. Buzan 20 years since the introduction of DNA barcoding: from theory to application // Journal of Applied Genetics. — 2014-02-01. — В. 1. — Т. 55. — С. 43–52. — ISSN 2190-3883. — DOI:10.1007/s13353-013-0180-y
  29. ↑ A DNA barcode for land plants(англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2009-08-04. — В. 31. — Т. 106. — С. 12794–12797. — ISSN 0027-8424. — DOI:10.1073/pnas.0905845106
  30. ↑ Алла Астахова. Тонкая работа - 2. Блог о здравоохранении (22 жніўня 2017).

Спасылкі

Гл. таксама