DNA mitochondrialne to mała okrągła cząsteczka DNA znajdująca się wewnątrz tych organelli w komórkach eukariotycznych. Ten mały genom koduje bardzo ograniczoną liczbę białek i aminokwasów w mitochondriach. W wielu podręcznikach i artykułach naukowych nazwa „mitochondrialne DNA” jest często skracana jako „MtDNA„lub w języku angielskim”mtDNA".
Mitochondria są niezbędnymi organellami dla komórek eukariotycznych, ponieważ są odpowiedzialne za przekształcanie energii spożywanej w postaci cukrów w energię, którą mogą wykorzystywać komórki (na przykład ATP).
Wszystkie komórki organizmów eukariotycznych mają w sobie co najmniej jedno mitochondrium. Istnieją jednak komórki, takie jak komórki mięśnia sercowego i komórki mięśni szkieletowych, w których mogą znajdować się setki mitochondriów..
Mitochondria mają swój własny aparat do syntezy białek, niezależny od aparatu komórkowego, z rybosomami, transferowym RNA i syntetazą aminacylo-transferazy RNA z wnętrza organelli; chociaż rybosomalny RNA jest mniejszy niż komórka, w której się znajdują.
Taki aparat wykazuje duże podobieństwo do aparatu do syntezy białek bakterii. Ponadto, podobnie jak u prokariotów, aparat ten jest niezwykle wrażliwy na antybiotyki, ale bardzo różni się od syntezy białek w komórkach eukariotycznych..
Termin „mitochondria” został wprowadzony przez Bendę pod koniec XII wieku, a teoria „endosymbiozy” jest najbardziej akceptowana, jeśli chodzi o jej pochodzenie. Zostało to opublikowane w 1967 przez Lynn Margulis w magazynie Journal of Theoretical Biology.
Teoria „endosymbiozy” umiejscawia pochodzenie mitochondriów miliony lat temu. Istnieje teoria, że przodek komórkowy komórek eukariotycznych „połknął” i włączył organizm podobny do bakterii do swojego metabolizmu, który później stał się tym, co obecnie znamy jako mitochondria.
U ssaków generalnie cały genom, który zawiera mitochondrialne DNA, jest zorganizowany w kolistym chromosomie zawierającym od 15 000 do 16 000 par nukleotydów lub, co jest tym samym, od 15 do 16 Kb (kilozasad).
W większości mitochondriów można uzyskać wiele kopii chromosomu mitochondrialnego. W ludzkich komórkach somatycznych (komórkach innych niż płciowe) często znajduje się co najmniej 100 kopii chromosomu mitochondrialnego.
W roślinach wyższych (okrytozalążkowych) mitochondrialne DNA jest zwykle znacznie większe, na przykład u kukurydzy okrągły chromosom mitochondrialnego DNA może mierzyć do 570 Kb.
DNA mitochondrialne zajmuje około 1% całkowitego DNA komórek somatycznych większości kręgowców. Jest to wysoce konserwatywne DNA w królestwie zwierząt, w przeciwieństwie do tego, co obserwuje się u roślin, gdzie występuje duża różnorodność.
W niektórych „gigantycznych” komórkach eukariotycznych, takich jak zalążki (żeńskie komórki płciowe) ssaków lub w komórkach zawierających wiele mitochondriów, mitochondrialne DNA może stanowić do 1/3 całkowitego komórkowego DNA.
DNA mitochondrialne ma pewne inne właściwości niż DNA jądrowe: ma inną gęstość i stosunek par zasad guanina - cytozyna (GC) oraz adenina - tymina (AT).
Gęstość par zasad GC w mitochondrialnym DNA wynosi 1,68 g / cm3, a zawartość wynosi 21%; podczas gdy w jądrowym DNA ta gęstość wynosi 1,68 g / cm3, a zawartość wynosi około 40%.
DNA mitochondrialne zawiera co najmniej 37 genów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania mitochondriów. Spośród tych 37, 13 posiada informacje o wytwarzaniu enzymów biorących udział w fosforylacji oksydacyjnej.
Te 13 genów koduje 13 polipeptydowych składników kompleksów enzymatycznych, które należą do łańcucha transportu elektronów i znajdują się w wewnętrznej błonie mitochondriów..
Pomimo 13 polipeptydów, które mitochondrialne DNA przyczynia się do łańcucha transportu elektronów, składa się z ponad 100 różnych polipeptydów. Jednak te 13 składników ma zasadnicze znaczenie dla fosforylacji oksydacyjnej i łańcucha transportu elektronów..
Wśród 13 polipeptydów syntetyzowanych z mitochondrialnego DNA wyróżniają się podjednostki I, II i III kompleksu oksydazy cytochromu C oraz podjednostka VI pomp ATPazy osadzonych w wewnętrznej błonie organelli..
Informacje niezbędne do syntezy pozostałych składników mitochondriów są kodowane przez geny jądrowe. Są one syntetyzowane w cytoplazmie, podobnie jak reszta białek komórkowych, a następnie importowane do mitochondriów dzięki określonym sygnałom.
W fosforylacji oksydacyjnej atomy tlenu i cukru, takie jak glukoza, są wykorzystywane do syntezy lub tworzenia trifosforanu adenozyny (ATP), który jest związkiem chemicznym wykorzystywanym przez wszystkie komórki jako źródło energii..
Pozostałe geny mitochondrialne mają instrukcje syntezy transferowego RNA (tRNA), rybosomalnego RNA i enzymu syntetazy transferazy aminoacylo-RNA (tRNA), niezbędnego do syntezy białek w mitochondriach..
Jeszcze do niedawna sądzono, że mitochondrialne DNA jest przekazywane wyłącznie poprzez dziedziczenie po matce, czyli poprzez bezpośrednie potomstwo od matki..
Jednak artykuł opublikowany przez Shiyu Luo i współpracowników w magazynie Materiały z National Academy of Sciences w Stanach Zjednoczonych Ameryki (PNAS) w styczniu 2019 r. Wykazał, że w rzadkich przypadkach mitochondrialne DNA może być odziedziczone po obojgu rodzicach, zarówno po ojcu, jak i po matce.
Przed publikacją tego artykułu było dla naukowców faktem, że chromosom Y i mitochondrialne DNA zostały odziedziczone w nienaruszonym stanie odpowiednio po ojcu i matce, potomstwu..
„Nienaruszone” dziedziczenie genów chromosomu Y genów mitochondrialnych oznacza, że wspomniany materiał genetyczny nie ulega zmianom w wyniku rekombinacji i na przestrzeni lat zmienia się jedynie z powodu spontanicznych mutacji, więc zmienność jest dość niska.
Z tego powodu większość badań mobilizacji populacji jest wykonywana na podstawie tych genów, ponieważ na przykład genetykom łatwo jest skonstruować drzewa genealogiczne przy użyciu mitochondrialnego DNA..
Wiele historii ludzkości zostało zrekonstruowanych poprzez historię genetyczną mitochondrialnego DNA. Wiele domów handlowych oferuje nawet wyjaśnienie więzi rodzinnej każdej żyjącej osoby z jej przodkami za pomocą technik, które badają te cechy..
Pierwszy model replikacji mitochondrialnego DNA został zaproponowany w 1972 roku przez Vinograda i współpracowników i model ten jest nadal aktualny, z pewnymi zmianami. Mówiąc ogólnie, model opiera się na jednokierunkowej replikacji, która rozpoczyna się w dwóch różnych początkach replikacji..
Naukowcy klasyfikują mitochondrialny chromosom na dwa różne łańcuchy, łańcuch ciężki, H lub OH, z języka angielskiego ”ciężki„I lekki łańcuch, L lub OL z języka angielskiego”Lekki”. Są one zidentyfikowane i umieszczone w dwóch nieprzypisanych otwartych ramkach odczytu (URF) na chromosomie mitochondrialnym.
Replikacja genomu mitochondrialnego rozpoczyna się w łańcuchu ciężkim (OH) i trwa w jednym kierunku, aż do wytworzenia pełnej długości łańcucha lekkiego (OL). Następnie dołączane są białka zwane „mitochondrialnymi jednoniciowymi białkami wiążącymi DNA”, aby chronić łańcuch, który działa jako „rodzic” lub „matryca”..
Enzymy odpowiedzialne za separację w celu wystąpienia replikacji (replikosom) przechodzą do pasma światła (OL) i powstaje struktura pętli, która blokuje wiązanie mitochondrialnych jednoniciowych białek wiążących DNA.
W tej pętli mitochondrialna polimeraza RNA wiąże się i rozpoczyna się synteza nowego startera. Przejście w kierunku syntezy łańcucha ciężkiego (OH) następuje 25 nukleotydów później.
Właśnie w momencie przejścia do łańcucha ciężkiego (OH) mitochondrialna polimeraza RNA jest zastępowana mitochondrialną replikacyjną polimerazą DNA na końcu 3 ', gdzie początkowo rozpoczęła się replikacja.
Wreszcie synteza obu łańcuchów, zarówno ciężkiego (OH), jak i lekkiego (OL), przebiega w sposób ciągły, aż do powstania dwóch kompletnych kolistych cząsteczek dwuniciowego DNA (dwuniciowego)..
Istnieje wiele chorób związanych z nieprawidłowym działaniem mitochondrialnego DNA. Większość jest spowodowana mutacjami, które uszkadzają sekwencję lub informację zawartą w genomie.
Jedną z najlepiej zbadanych chorób, która jest bezpośrednio związana ze zmianami w genomie mitochondrialnego DNA, jest utrata słuchu spowodowana wiekiem.
Ten stan jest wynikiem czynników genetycznych, środowiskowych i stylu życia. Wraz z wiekiem mitochondrialne DNA gromadzi szkodliwe mutacje, takie jak delecje, translokacje, inwersje i inne.
Uszkodzenie mitochondrialnego DNA jest głównie spowodowane nagromadzeniem reaktywnych form tlenu, są to produkty uboczne produkcji energii w mitochondriach.
DNA mitochondrialne jest szczególnie podatne na uszkodzenia, ponieważ nie posiada systemu naprawczego. Dlatego zmiany wywołane przez reaktywne formy tlenu uszkadzają mitochondrialne DNA i powodują nieprawidłowe działanie organelli, powodując śmierć komórki..
Komórki ucha wewnętrznego mają duże zapotrzebowanie na energię. To wymaganie czyni je szczególnie wrażliwymi na uszkodzenia mitochondrialnego DNA. Uszkodzenia te mogą nieodwracalnie zmienić funkcję ucha wewnętrznego, prowadząc do całkowitej utraty słuchu..
DNA mitochondrialne jest szczególnie wrażliwe na mutacje somatyczne, mutacje, które nie są dziedziczone po rodzicach. Tego typu mutacje występują w DNA niektórych komórek przez całe życie ludzi..
Istnieją dowody na to, że zmiany mitochondrialnego DNA wynikające z mutacji somatycznych wiążą się z niektórymi typami raka, guzami gruczołów sutkowych, okrężnicy, żołądka, wątroby i nerek.
Mutacje w mitochondrialnym DNA są również związane z rakami krwi, takimi jak białaczka i chłoniaki (rak komórek układu odpornościowego).
Specjaliści łączą mutacje somatyczne w mitochondrialnym DNA ze wzrostem produkcji reaktywnych form tlenu, czynników zwiększających uszkodzenia mitochondrialnego DNA i powodujących brak kontroli wzrostu komórek.
Niewiele wiadomo na temat tego, jak te mutacje zwiększają niekontrolowany podział komórek i jak ostatecznie rozwijają się jako guzy nowotworowe..
Uważa się, że niektóre przypadki cyklicznych wymiotów, typowe dla dzieciństwa, są związane z mutacjami w mitochondrialnym DNA. Mutacje te powodują powtarzające się epizody nudności, wymiotów i zmęczenia lub letargu..
Naukowcy łączą te epizody wymiotów z faktem, że mitochondria z uszkodzonym mitochondrialnym DNA mogą wpływać na niektóre komórki autonomicznego układu nerwowego, wpływając na takie funkcje, jak tętno, ciśnienie krwi i trawienie.
Pomimo tych powiązań nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób zmiany w mitochondrialnym DNA powodują nawracające epizody zespołu cyklicznych wymiotów..
Jeszcze bez komentarzy