18 September 2018, Tuesday
Редактор перевода
Viktoria Basharina
Статьи Wikiyours - это англоязычные статьи, переведённые на русский язык. Любой, кто владеет английским языком может стать обладателем своей собственной статьи и заработать деньги на её переводе. Соединим приятное с полезным!
Для перевода выберите статью.
Для перевода статьи
выберите категорию
Предложить изменения

Митохондриальная ДНК

Содержание
  1. Что такое митохондриальная ДНК?
  2. Гипотезы происхождения митохондрий
  3. Генетическая экспертиза мтДНК
  4. Структура митохондриальной ДНК
  5. Изменчивость генома
  6. Репликация митохондриальной ДНК
  7. Транскрипция митохондриальной ДНК
  8. Митохондриальные заболевания
  9. Чем митохондриальная ДНК отличается от ядерной?
  10. История открытия мтДНК
  11. Базы данных по мтДНК

Что такое митохондриальная ДНК?

Митохондриальная ДНК (мтДНК) - представляет собой ДНК, расположенную в митохондриях, клеточных органеллах внутри эукариотических клеток, которые преобразуют химическую энергию из пищи в той форме, в которой клетки могут ее использовать - аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондриальная ДНК являет собой лишь небольшую часть ДНК в эукариотической клетке; большую часть ДНК можно обнаружить в ядре клетки, у растений и водорослей, а также в пластидах, таких как хлоропласты.

У людей 16569 пар оснований митохондриальной ДНК кодируют всего 37 генов. Человеческая митохондриальная ДНК была первой значительной частью генома человека, подлежащей секвенированию. У большинства видов, включая людей, мтДНК наследуется только от матери.

Посколько мтДНК животных развивается быстрее, чем ядерные генетические маркеры, она представляет собой основу филогенетики и эволюционной биологии. Это стало важным пунктом в антропологии и биогеографии, так как позволяет изучать взаимосвязь популяций.

Гипотезы происхождения митохондрий

Ядерная и митохондриальная ДНК, как полагают, имеет разное эволюционное происхождение, причем мтДНК выведена из кольцевых геномов бактерий, которые были поглощены ранними предками современных эукариотических клеток. Эта теория называется эндосимбиотической теорией. По оценкам, каждая митохондрия содержит копии 2-10 мтДНК. В клетках существующих организмов подавляющее большинство белков, присутствующих в митохондриях (численность около 1500 различных типов у млекопитающих) кодируются ядерной ДНК, но гены для некоторых из них, если не большинство, считаются первоначально бактериальными, с тех пор они были перенесены в эукариотическое ядро ​​во время эволюции.

Обсуждаются причины, по которым митохондрии сохраняют некоторые гены. Существование у некоторых видов митохондриального происхождения органелл, не имеющих генома, позволяет предполагать, что возможна полная потеря гена, а перенос митохондриальных генов в ядро ​​имеет ряд преимуществ. Трудность ориентации дистанционно производимых гидрофобных белковых продуктов в митохондриях является одной из гипотез почему некоторые гены сохраняются в мтДНК. Совместная локализация для окислительно-восстановительного регулирования является другой теорией, ссылаясь на желательность локализованного контроля над митохондриальными механизмами. Недавний анализ широкого спектра митохондриальных геномов предполагает, что обе эти функции могут диктовать удержание митохондриального гена.

Генетическая экспертиза мтДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК наследуется от матери (по материнской линии). Для этого механизмы включают простое разведение (яйцо содержит в среднем 200000 молекул мтДНК, тогда как здоровая сперма человека содержит в среднем 5 молекул), деградацию спермы мтДНК в мужских половых путях, в оплодотворенной яйцеклетке, и, по крайней мере, в нескольких организмах, неспособность мтДНК спермы проникать в яйцо. Каким бы ни был механизм, это однополярное наследование - наследования мтДНК, которое встречается у большинства животных, растений и грибов.

Наследование по материнской линии

При половом размножении митохондрии обычно унаследованы исключительно от матери; митохондрии в сперме млекопитающих обычно уничтожаются яйцеклеткой после оплодотворения. Кроме того, большинство митохондрий присутствует у основания хвоста сперматозоида, который используется для движения клеток спермы; иногда во время оплодотворения хвост теряется. В 1999 году сообщалось, что отцовские митохондрии сперматозоида (содержащие мтДНК) отмечены убиквитином для последующего разрушения внутри эмбриона. Некоторые методы оплодотворения in vitro, в частности, инъекция спермы в ооцит могут мешать этому.

Тот факт, что митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии позволяет генеалогическим исследователям проследить материнскую линию далеко назад во времени. (Y-хромосомная ДНК наследуется по отцовской линии, используется аналогичным образом для определения патрилинейной истории.) Обычно это осуществляется на митохондриальной ДНК человека путем секвенирования гипервариабельной области управления (HVR1 или HVR2), а иногда и полной молекулы митохондриальной ДНК как генеалогический тест ДНК. Например, HVR1 состоит примерно из 440 пар оснований. Затем эти 440 пар сравниваются с контрольными областями других лиц (либо конкретных людей или субъектов в базе данных) для определения материнской линии. Чаще всего сравнение проводится с пересмотренной Кембриджской справочной последовательностью. Vilà et al. опубликовали исследования, посвященные матрилинейному сходству домашних собак и волков. Концепция Митохондриальной Евы основана на одном и том же типе анализа, пытается обнаружить происхождение человечества, отслеживает происхождение назад во времени.

мтДНК является высококонсервативной, а ее относительно медленные скорости мутаций (по сравнению с другими областями ДНК, такими как микросателлиты) делают ее полезной для изучения эволюционных отношений - филогении организмов. Биологи могут определить, а затем сравнить мтДНК последовательности у разных видов и использовать сравнения для построения эволюционного дерева для изученных видов. Однако, из-за медленных скоростей мутаций, которые он испытывает, часто трудно различать близкородственные виды в любой степени, поэтому необходимо использовать другие методы анализа.

Мутации митохондриальной ДНК

Можно ожидать, что лица, подвергающиеся однонаправленному наследованию и почти без рекомбинации, подвергаются трещотке Мюллера, накоплению вредных мутаций до тех пор, пока не будет потеряна функциональность. Популяции животных митохондрий избегают этого накопления из-за процесса развития, известного как узкое место мтДНК. Узкое место использует стохастические процессы в клетке для увеличения изменчивости клетки-к-клетке в мутантной нагрузке, когда организм развивается, таким образом, что одна яйцеклетка с некоторой долей мутантной мтДНК создает эмбрион, в котором разные клетки имеют различные мутантные нагрузки. Затем может быть выбран клеточный уровень, чтобы удалить эти клетки с большей мутантной мтДНК, что приведет к стабилизации или уменьшению мутантной нагрузки между поколениями. Механизм, лежащий в основе узкого места, обсуждается с недавней математической и экспериментальной метастадией и служит доказательством комбинации случайного разбиения мтДНК на клеточные деления и случайного оборота молекул мтДНК внутри клетки.

Наследование по отцовской линии

Двукратное однонаправленное наследование мтДНК наблюдается у двустворчатых моллюсков. У этих видов самки имеют только один тип мтДНК (F), тогда как самцы имеют мтДНК типа F в своих соматических клетках, но M тип мтДНК (которая может достигать 30% расходящихся) в клетках зародышевой линии. У материнских унаследованных митохондрий дополнительно сообщалось о некоторых насекомых, таких как плодовые мухи, пчелы и периодические цикады.

Мужское митохондриальное наследования было недавно обнаружено у циплят Плимут-Рок. Доказательства подтверждают редкие случаи мужского митохондриального наследования у некоторых млекопитающих. В частности, документально подтвержденные случаи существуют для мышей, где впоследствии были отвергнуты мужские наследственные митохондрии. Кроме того, он был обнаружен у овец, а также у клонированного крупного рогатого скота. Однажды был обнаружен в организме мужчины.

Несмотря на то, что многие из этих случаев связаны с клонированнием эмбрионов или последующим отторжением отцовской митохондрии, другие документируют наследование и стойкость in vivo в лабораторных условиях.

Митохондриальное донорство

Метод IVF, известный как митохондриальное донорство или митохондриальная заместительная терапия (МЗТ), приводит к потомству, содержащащему мтДНК от доноров женского пола и ядерной ДНК от матери и отца. В процедуре переноса шпинделя, ядро ​​яйца вводится в цитоплазму яйцеклетки от донора-самки, у которой было ​​удалено ядро, но которое по-прежнему содержит мтДНК женского донора. Композиционное яйцо затем оплодотворяется спермой мужчины. Эта процедура используется тогда, когда женщина с генетически неполноценными митохондриями, хочет производить потомство со здоровыми митохондриями. Первым известным ребенком, который родился в результате митохондриального пожертвования, был мальчик, родившийся у иорданской пары, в Мексике 6 апреля 2016 года.

Структура митохондриальной ДНК

В большинстве многоклеточных организмов, мтДНК - или митогеном - организована в виде круглой, циркулярно замкнутой, двухцепочной ДНК. Но во многих одноклеточных (например, тетрахимены или зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii) и в редких случаях у многоклеточных организмов (например, у некоторых видов книдарий), мтДНК находится как линейно организованная ДНК. Большинство этих линейных мтДНК обладают теломеразо-независимыми теломерами (то есть концами линейной ДНК) с различными режимами репликации, которые сделали их интересными объектами исследования, так как многие из этих одноклеточных организмов с линейной мтДНК являются известными патогенами.

Для митохондриальной ДНК человека (и, вероятно, для метазоанов), 100-10000 отдельных копий мтДНК обычно присутствуют в соматической клетке (яйцеклетки и сперматозоиды являются исключениями). У млекопитающих каждая из двухцепочной молекулы круговой мтДНК состоит из 15000-17000 пар оснований. Две цепи мтДНК различаются по их нуклеотидному содержанию, богатая гуанидом прядь называется тяжелой цепью (или Н-цепью), а богатую цинозином нить называют легкой цепью (или L-нитью). Тяжелая цепь кодирует 28 генов, а легкая - 9 генов, в общей сложности 37 генов. Из 37 генов 13 предназначены для белков (полипептидов), 22 - для передачи РНК (тРНК) и два - для малых и больших субъединиц рибосомальной РНК (рРНК). Митогеном человека содержит перекрывающиеся гены (ATP8 и ATP6, а также ND4L и ND4: см. Карту генома человека митохондрий), которая редко встречается в геномах животных. 37-генная картина также встречается среди большинства метазоанов, хотя, в некоторых случаях, один или несколько из этих генов отсутствуют, а диапазон размеров мтДНК больше. Еще большее изменение содержания и размера генов мтДНК существует среди грибов и растений, хотя, как представляется, существует основное подмножество генов, которое присутствует во всех эукариотах (за исключением немногих, у которых вообще нет митохондрий). Некоторые виды растений имеют огромные мтДНК (столько, сколько 2500000 пар оснований на молекулу мтДНК), но, как ни удивительно, даже эти огромные мтДНК содержат одинаковое число и виды генов, как родственные растения с гораздо меньшими мтДНК.

Геном митохондрии огурца (Cucumis Sativus) состоит из трех кольцевых хромосом (длина 1556, 84 и 45 т.п.н.), которые полностью или в значительной степени автономны в отношении их репликации.

Наименьший митохондриальный геном, упорядоченный до настоящего времени, представляет собой мтДНК 5967bp паразита Plasmodium falciparum; некоторые виды растений имеют огромные митохондриальные геномы с мтДНК Silene conica, содержащей 11,3 Мб.

Изменчивость генома

В митохондриальных геномах обнаружено шесть основных типов генома. Эти типы геномов были классифицированы «Колесниковым и Герасимовым (2012)» и различаются различными способами, такими как круговой, по сравнению с линейным геномом, размером генома, наличием интронов или подобных плазмидных структур, а также является ли генетический материал особой молекулой, коллекцией гомогенных или гетерогенных молекул.

Расшифровка генома животных

В клетках животных существует только один тип митохондриального генома. Этот геном содержит одну круговую молекулу между 11-28кбп генетического материала (тип 1).

Расшифровка генома растений

Существует три различных типа генома, содержащихся в растениях и грибах. Первый тип - это круговой геном, который имеет интроны (тип 2) длиной от 19 до 1000 кбп. Второй тип генома представляет собой круговой геном (около 20-1000 кбп), который также имеет плазмидную структуру (1kb) (тип 3). Конечный тип генома, который можно найти в растении и грибах представляет собой линейный геном, состоящий из гомогенных молекул ДНК (тип 5).

Расшифровка генома протистов

Протисты содержат самые разнообразные митохондриальные геномы, которые включают пять разных типов. Тип 2, тип 3 и тип 5, упомянутые в геноме растений и грибов, также существуют в некоторых простейших, а также в двух уникальных типах генома. Первым из них является гетерогенная коллекция круговых молекул ДНК (тип 4), а конечный тип генома, обнаруженный у протистов, представляет собой гетерогенную коллекцию линейных молекул (тип 6). Типы геномов 4 и 6 варьируются от 1 до 200 кб.,

Передача эндосимбиотических генов, процесс генов, кодируемых в митохондриальном геноме, переносится в основном геном клетки, вероятно, это объясняет почему более сложные организмы, например, люди, имеют меньшие митохондриальные геномы, чем более простые организмы, такие как простейшие. 

Репликация митохондриальной ДНК

Митохондриальная ДНК реплицируется гамма-комплексом ДНК-полимеразы, который состоит из каталитической ДНК-полимеразы размером 140 кДа, кодируемой геном POLG и двумя вспомогательными субъединицами 55 кДа, закодированными геном POLG2. Репликационное устройство образовано ДНК-полимеразой, TWINKLE и митохондриальными SSB-белками. TWINKLE - это геликаза, которая разматывает короткие отрезки dsDNA в направлении от 5 'до 3'.

Во время эмбриогенеза репликация мтДНК строго отрегулирована от оплодотворенного ооцита через предимплантационный эмбрион. Результативное сокращение количества клеток в каждой клетке мтДНК играет роль в узком месте митохондрий, использующем изменчивость клеток к клетке для улучшения наследования повреждающих мутаций. На стадии бластоцитов начало репликации мтДНК специфично для клеток трофтокодера. Напротив, клетки внутренней клеточной массы ограничивают репликацию мтДНК до тех пор, пока они не получат сигналы для дифференциации к конкретным типам клеток.

Транскрипция митохондриальной ДНК

В митохондриях животных каждая нить ДНК непрерывно транскрибируется и производит полицистронную молекулу РНК. Между большинством (но не во всех) белок-кодирующих областях присутствуют тРНК (см. Карту генома митохондрий человека). Во время транскрипции тРНК приобретает характерную L-форму, которая распознается и расщепляется конкретными ферментами. При обработке митохондриальной РНК отдельные фрагменты мРНК, рРНК и тРНК высвобождаются из первичного транскрипта. Таким образом, сложенные тРНК действуют как второстепенные пунктуации.

Митохондриальные заболевания

Понятие о том, что мтДНК особенно восприимчива к реактивным кислородным видам, генерируемым дыхательной цепью из-за его близости, остается спорным. мтДНК не накапливает больше окислительной базы, чем ядерная ДНК. Сообщалось, что, по крайней мере, некоторые виды повреждений окислительной ДНК восстанавливаются более эффективно в митохондриях, чем в ядре. мтДНК упаковывается с белками, которые, по-видимому, являются такими же защитными, как белки ядерного хроматина. Более того, митохондрии развили уникальный механизм, который поддерживает целостность мтДНК путем деградации чрезмерно поврежденных геномов с последующей репликацией интактной/восстановленной мтДНК. Этот механизм отсутствует в ядре и активируется несколькими копиями мтДНК, присутствующими в митохондриях. Результатом мутации в мтДНК может быть изменение инструкций кодирования для некоторых белков, что может влиять на метаболизм и/или пригодность организма.

Мутации митохондриальной ДНК могут привести к ряду заболеваний, включая непереносимость физической нагрузки и синдром Кирнс-Сайре (KSS), который заставляет человека терять полную функцию движений сердца, глаз и мышц. Некоторые данные свидетельствуют о том, что они могут вносить значительный вклад в процесс старения и связаны с возрастом патологии. В частности, в контексте заболевания, доля мутантных молекул мтДНК в клетке называется гетероплазмой. Распределения гетероплазмы внутри клетки и между клетками диктуют начало и тяжесть заболевания и находятся под влиянием сложных стохастических процессов внутри клетки и во время развития.

Мутации в митохондриальных тРНК могут быть ответственны за тяжелые заболевания, например, такие, как синдромы MELAS и MERRF.

Мутации в ядерных генах, кодирующие белки, которые используют митохондрии также могут способствовать митохондриальным заболеваниям. Эти болезни не соответствуют моделям наследования митохондрий, а вместо этого следуют менделевским схемам наследования.

В последнее время мутации в мтДНК были использованы для помощи диагностирования рака простаты у пациентов с отрицательной биопсией.

Механизм старения

Хотя идея является спорной, некоторые данные свидетельствуют о связи между старением и митохондриальной дисфункцией генома. В сущности, мутации в мтДНК нарушают тщательный баланс производства реактивного кислорода (ROS) и ферментативного ROS-продуцирования (ферментами, такими как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и другие). Тем не менее, некоторые мутации, которые увеличивают производство ROS (например, за счет снижения антиоксидантной защиты) у червей увеличивают, а не уменьшают их долговечность. Кроме того, обнаженные мольные крысы, грызуны, размером с мышей, живут примерно в восемь раз дольше, чем мыши, несмотря на снижение, по сравнению с мышами, антиоксидантной защиты и повышенного окислительного повреждения биомолекул.

Однажды, как полагали, был положительный цикл обратной связи в работе («Vicious Cycle»); поскольку митохондриальная ДНК накапливает генетический ущерб, вызванный свободными радикалами, митохондрии теряют функцию и освобождают свободные радикалы в цитозоле. Снижение функции митохондрий снижает общую метаболическую эффективность. Однако, эта концепция была окончательно опровергнута, когда было продемонстрировано, что мыши, генетически измененные для накопления мутаций мтДНК с увеличенной скоростью, преждевременно стареют, но их ткани не вырабатывают больше ROS, как прогнозировалось гипотезой «Порочный цикл». Поддерживая связь между долговечностью и митохондриальной ДНК в некоторых исследованиях обнаружены корреляции между биохимическими свойствами митохондриальной ДНК и долговечностью видов. Проводятся обширные исследования для дальнейшего изучения этой связи и методов борьбы со старением. В настоящее время генная терапия и нутрицевтические добавки являются популярными областями текущих исследований. Bjelakovic et al. проанализировал результаты 78 исследований в период между 1977 и 2012 годами, в которых участвовало, в общей сложности, 296707 участников, пришел к выводу, что антиоксидантные добавки не уменьшают смертность от каких-либо причин и не продлевают продолжительность жизни, в то время как некоторые из них, такие как бета-каротин, витамин Е и более высокие дозы витамина А, могут фактически увеличить смертность.

Контрольные точки удаления часто встречаются внутри или рядом с регионами, показывающими неканонические (не-B) конформации, а именно шпильки, крестообразные и подобные клеверу элементы. Кроме того, есть данные, подтверждающие вовлечение спирально искажающих криволинейных областей и длинных G-тетрад в выявлении событий нестабильности. Кроме того, более высокие точки плотности последовательно наблюдались в областях с перекосом GC и в непосредственной близости от вырожденного фрагмента последовательности YMMYMNNMMHM.

Чем митохондриальная ДНК отличается от ядерной?

В отличие от ядерной ДНК, которая унаследована от обоих родителей и в которой гены перегруппированы в процессе рекомбинации, обычно нет изменений в мтДНК от родителя к потомству. Хотя мтДНК также рекомбинирует, она делает это с копиями себя в пределах той же митохондрии. Из-за этого частота мутаций животных мтДНК выше, чем у ядерной ДНК. мтДНК является мощным инструментом для отслеживания родословной через женщин (matrilineage) и использовалась в этой роли для отслеживания родословной многих видов сотни поколений назад .

Стремительная частота мутаций (у животных) делает мтДНК полезной для оценки генетических взаимоотношений отдельных индивидуумов или групп в пределах вида, а также для идентификации и количественного определения филогении (эволюционных отношений) среди разных видов. Для этого биологи определяют, а затем сравнивают последовательность мтДНК с разными индивидуумами или видами. Данные сравнений используются для построения сети взаимоотношений между последовательностями, которые обеспечивают оценку отношений между отдельными лицами или видами, из которых были взяты мтДНК. мтДНК может быть использована для оценки взаимосвязи между близкими и удаленными видами. Из-за высокой частоты мутаций мтДНК у животных, 3-й позиции кодонов меняться относительно быстро, и, таким образом, предоставляет информацию о генетических расстояний между близкородственными особями или видами. С другой стороны, скорость замещения mt-белков очень низкая, поэтому изменения аминокислот накапливаются медленно (с соответствующими медленными изменениями в положениях 1-го и 2-го кодонов) и, таким образом, они предоставляют информацию о генетических расстояниях отдаленных родственников. Статистические модели, которые учитывают частоту замещения среди позиций кодонов отдельно, могут поэтому использоваться для одновременной оценки филогении, которая содержит как близкие, так и отдаленные виды.

История открытия мтДНК

Митохондриальная ДНК была обнаружена в 1960-х годах Маргитом М. К. Насом и Сильваном Насом с помощью электронной микроскопии в качестве чувствительных к ДНКазе нитей внутри митохондрий, а также Эллен Хасбруннер, Ханс Таппи и Готфрид Шац из биохимических анализов на высокоочищенных митохондриальных фракциях.

Митохондриальная ДНК впервые была признана в 1996 году во время штата Теннесси против Пола Уэра. В 1998 году в судебном деле Содружества Пенсильвании против Патриции Линн Роррер, митохондриальная ДНК впервые была принята в качестве доказательства в штате Пенсильвания. Случай был показан в эпизоде ​​55 5-го сезона настоящей серии драматических криминалистических судебных дел (сезон 5).

Митохондриальная ДНК впервые была признана в Калифорнии в ходе успешного преследования Дэвида Вестерфилда за похищение и убийство в 2002 году 7-летней Даниэль ван Дам в Сан-Диего: она использовалась как для идентификации людей, так и собак. Это было первое испытание в США, которое разрешило собачью ДНК.

Базы данных по мтДНК

Было создано несколько специализированных баз данных для сбора митохондриальных последовательностей генома и другой информации. Хотя большинство из них сосредоточены на данных о последовательности, некоторые из них включают в себя филогенетическую или функциональную информацию.

  • MitoSatPlant: база данных микросателлитов митохондриальных виридиплантов.

  • MitoBreak: база данных контрольных точек митохондриальной ДНК.

  • MitoFish и MitoAnnotator:  база данных о митохондриальном геноме рыб. Смотрите также Cawthorn и др.

  • MitoZoa 2.0: база данных для сравнительного и эволюционного анализа митохондриальных геномов (больше недоступна)

  • InterMitoBase: аннотированная база данных и платформа анализа белково-белковых взаимодействий для митохондрий человека (последний обновлен в 2010 году, но все еще является не доступным)

  • Mitome:база данных для сравнительной митохондриальной геномики у многоклеточных животных (больше недоступна)

  • MitoRes: ресурс ядерно-кодированных митохондриальных генов и их продуктов в метазоах (больше не обновлялся)

Существует несколько специализированных баз данных, которые сообщают о полиморфизмах и мутациях в митохондриальной ДНК человека вместе с оценкой их патогенности.

  • MITOMAP: компендиум полиморфизмов и мутаций в митохондриальной ДНК человека.

  • MitImpact: Сбор предсказанных прогнозов патогенности для всех изменений нуклеотидов, которые вызывают несинонимические замены в генах, кодирующих митохондриальные белки человека.