Exemple de moștenire mitocondrială sunt rezistența la antibiotice în celulele de drojdie și sterilitatea sexuală masculină (lipsa gameților masculini) la unele plante, cum ar fi porumbul.
La om (probabil) există defecte de dezvoltare, cum ar fi fuziunea extremităților inferioare și spina bifida.
Moștenirea centriolară
Exemple de trăsături transmise prin centrioli nu au fost încă stabilite.
În citoplasma bacteriilor, mici molecule circulare de ADN sunt localizate autonom - plasmide. Au fost izolate trei tipuri de plasmide.
Plasmide care conțin factor F (factor de fertilitate): F+ (masculin), F- (feminin). În timpul conjugării, factorul se poate muta de la o bacterie la alta, adică. schimbări de gen.
Plasmidele care conțin factorul R (factor de rezistență) determină rezistența la antibiotice. De asemenea, se pot trece de la o bacterie la alta.
Plasmide colicinogene - codifică proteine care au un efect dăunător asupra indivizilor din aceeași specie care nu conțin colicinogeni (bacteriile ucigașe).
Genele din nucleu și citoplasmă interacționează între ele. Ele se bazează pe forme cunoscute de interacțiune ale genelor non-alelice, cum ar fi epistasis (de exemplu, genele nucleare suprimă genele citoplasmatice).
De asemenea este si pseudocitoplasmatică ereditatea cauzată de prezența simbioților în celule – bacterii sau viruși. Astfel, Drosophila are o rasă cu sensibilitate crescută la CO2. Celulele acestei rase conțin viruși care determină această proprietate.
Unii ciliati de papuci („ucigași”) secretă substanțe care au un efect dăunător asupra altor indivizi din aceeași specie. S-au găsit bacterii în celulele lor.
Există o rasă de șoareci cu predispoziție ereditară la cancer de sân. Transmiterea are loc prin laptele matern care conține viruși. Dacă excludem descendenții de la hrănirea acestui lapte, atunci nu va exista nicio predispoziție la cancer și invers, dacă descendenții unei rase sănătoase sunt hrăniți cu acest lapte, atunci ei vor avea o predispoziție la cancer.
Variabilitate
variabilitate - proprietatea organismelor vii de a modifica atât informațiile ereditare primite de la părinți, cât și procesul de implementare a acesteia în timpul ontogenezei.
Există trei tipuri de variabilitate:
fenotipic,
ontogenetic,
genotipic.
Variabilitatea fenotipică sau modificare - modificarea fenotipului ca răspuns la factorii de mediu. Acest tip de variabilitate a fost identificat de Charles Darwin și numit de el „ anumit" Caracteristicile dobândite în timpul ontogenezei nu sunt moștenite. Se numesc limitele de variabilitate ale unei trăsături norma de reactie. Norma de reacție se moștenește. Poate fi lat și îngust. (Dă exemple.)
Pentru procesul evolutiv, variabilitatea fenotipică este de mare importanţă, deoarece selecția naturală a indivizilor din natură se desfășoară în funcție de fenotip.
Ontogenetic variabilitate – o schimbare naturală a genotipului și fenotipului în timpul ontogenezei.
Modificările fenotipului corpului uman în timpul creșterii și apariția caracteristicilor sexuale secundare sunt exemple de variabilitate ontogenetică.
O schimbare regulată a genotipului în timpul ontogenezei a fost descoperită recent. Adevărat, sunt puține astfel de exemple cunoscute. Astfel, proteinele imunoglobulinei la șoareci constau din două fracții: V (variabilă) și C (constantă). În embrionii de șoarece, genele care îi codifică sunt situate la o distanță destul de mare unul de celălalt:
La șoarecii adulți, aceste gene sunt conectate și funcționează ca una:
Variabilitatea genotipică cauzate de o modificare a genotipului. Charles Darwin a numit acest tip de variabilitate „ incert" Aceasta este variabilitatea ereditară (transmisă prin moștenire).
Variabilitatea genotipică este împărțită în două tipuri: combinativ și mutațional .
Variabilitatea combinativă cauzate de recombinarea materialului genetic existent.
În natură există trei surse de variabilitate combinativă:
1) divergența independentă a cromozomilor în meioză (numărul de combinații este
2 n, unde n este numărul de cromozomi din setul haploid);
2) încrucișare (schimb de regiuni omoloage între omologi
cromozomi);
3) combinație aleatorie de cromozomi în timpul fertilizării.
Toate acestea conduc la o mare diversitate de genotipuri și fenotipuri, care, la rândul lor, asigură o adaptabilitate ridicată a speciilor.
In nucleu mutațională variabilitatea constă în restructurarea aparatului genetic.
Ce este ADN-ul mitocondrial?
ADN-ul mitocondrial (mtDNA) este ADN-ul situat în mitocondrii, organele celulare din interiorul celulelor eucariote care transformă energia chimică din alimente într-o formă pe care celulele o pot folosi - adenozin trifosfat (ATP). ADN-ul mitocondrial reprezintă doar o mică parte a ADN-ului într-o celulă eucariotă; Majoritatea ADN-ului poate fi găsit în nucleul celulei, în plante și alge și în plastide precum cloroplastele.
La om, cele 16.569 de perechi de baze de ADN mitocondrial codifică doar 37 de gene. ADN-ul mitocondrial uman a fost prima porțiune semnificativă a genomului uman care a fost secvențial. La majoritatea speciilor, inclusiv la oameni, ADNmt este moștenit numai de la mamă.
Deoarece ADNmt animal evoluează mai repede decât markerii genetici nucleari, acesta reprezintă baza filogeneticii și a biologiei evolutive. Acesta a devenit un punct important în antropologie și biogeografie, deoarece permite studierea interrelațiilor dintre populații.
Ipoteze pentru originea mitocondriilor
Se crede că ADN-ul nuclear și mitocondrial au origini evolutive diferite, cu ADNmt derivat din genomi circulari ai bacteriilor care au fost absorbite de strămoșii timpurii ai celulelor eucariote moderne. Această teorie se numește teoria endosimbiotică. Se estimează că fiecare mitocondrie conține copii a 2-10 mtADN. În celulele organismelor vii, marea majoritate a proteinelor prezente în mitocondrii (numărând aproximativ 1.500 de tipuri diferite la mamifere) sunt codificate de ADN-ul nuclear, dar se crede că genele pentru unele dintre acestea, dacă nu pentru majoritatea, sunt inițial bacteriene și au fost transferate de atunci în nucleul eucariot în timpul evoluției.
Sunt discutate motivele pentru care mitocondriile rețin anumite gene. Existența unor organele lipsite de genom la unele specii de origine mitocondrială sugerează că este posibilă pierderea completă a genelor, iar transferul genelor mitocondriale către nucleu are o serie de avantaje. Dificultatea de a orienta produsele proteice hidrofobe produse de la distanță în mitocondrii este o ipoteză a motivului pentru care unele gene sunt reținute în ADNmt. Co-localizarea pentru reglarea redox este o altă teorie, invocând dezirabilitatea controlului localizat al mașinilor mitocondriale. Analiza recentă a unei game largi de genomi mitocondriali sugerează că ambele aceste funcții pot dicta reținerea genei mitocondriale.
Examinarea genetică a mtDNA
În majoritatea organismelor multicelulare, ADNmt este moștenit de la mamă (filiație maternă). Mecanismele pentru aceasta includ diluarea simplă (un ovul conține în medie 200.000 de molecule de ADNmt, în timp ce spermatozoidul uman sănătos conține în medie 5 molecule), degradarea ADNmt a spermatozoizilor în tractul reproducător masculin, în ovulul fertilizat și, în cel puțin o puține organisme, eșec ADNmt al spermatozoizilor pătrunde în ovul. Oricare ar fi mecanismul, este moștenirea unipolară - moștenirea ADNmt, care apare la majoritatea animalelor, plantelor și ciupercilor.
Moștenirea maternă
În reproducerea sexuală, mitocondriile sunt de obicei moștenite exclusiv de la mamă; mitocondriile din spermatozoizii de mamifere sunt de obicei distruse de ovul după fertilizare. În plus, majoritatea mitocondriilor sunt prezente la baza cozii spermatozoizilor, care este folosită pentru mișcarea celulelor spermatozoizilor; uneori coada se pierde în timpul fertilizării. În 1999, s-a raportat că mitocondriile spermei paterne (conținând ADNmt) sunt marcate de ubiquitină pentru distrugerea ulterioară în embrion. Unele metode de fertilizare in vitro, în special injectarea spermatozoizilor în ovocit, pot interfera cu acest lucru.
Faptul că ADN-ul mitocondrial este moștenit prin linia maternă permite cercetătorilor genealogici să urmărească linia maternă mult înapoi în timp. (ADN-ul cromozomial Y este moștenit patern, utilizat într-un mod similar pentru a determina istoricul patriliniar.) Acest lucru se face de obicei pe ADN-ul mitocondrial al unei persoane prin secvențierea regiunii de control hipervariabilă (HVR1 sau HVR2) și, uneori, a întregii molecule de ADN mitocondrial ca un Test de genealogie ADN. De exemplu, HVR1 constă din aproximativ 440 de perechi de baze. Aceste 440 de perechi sunt apoi comparate cu zonele de control ale altor indivizi (sau indivizi sau subiecți specifici din baza de date) pentru a determina descendența maternă. Cea mai comună comparație este cu Secvența de referință Cambridge revizuită. Vilà și colab. au publicat studii privind asemănarea matriliniară a câinilor domestici și a lupilor. Conceptul de Eve mitocondrială se bazează pe același tip de analiză, încearcă să descopere originile umanității, urmărește originea în timp.
ADNmt este foarte conservat, iar ratele sale relativ lente de mutație (în comparație cu alte regiuni ale ADN-ului, cum ar fi microsateliții) îl fac util pentru studierea relațiilor evolutive - filogenia organismelor. Biologii pot determina și apoi compara secvențele de ADNmt între specii și pot folosi comparațiile pentru a construi un arbore evolutiv pentru speciile studiate. Cu toate acestea, din cauza ratelor lente de mutație pe care le experimentează, este adesea dificil să distingem specii strâns înrudite în orice măsură, așa că trebuie utilizate alte metode de analiză.
Mutații ADN mitocondrial
Se poate aștepta ca indivizii care suferă de moștenire unidirecțională și recombinare puțin sau deloc să sufere clichetul Müllerian, acumularea de mutații dăunătoare până când funcționalitatea este pierdută. Populațiile mitocondriale animale evită această acumulare datorită unui proces de dezvoltare cunoscut sub numele de blocaj ADNmt. Gâtul de sticlă utilizează procese stocastice în celulă pentru a crește variabilitatea de la celulă la celulă a încărcăturii mutante pe măsură ce organismul se dezvoltă, astfel încât o celulă ou cu o anumită proporție de ADNmt mutant creează un embrion în care diferite celule au sarcini mutante diferite. Nivelul celular poate fi apoi vizat pentru a elimina acele celule cu mai mult ADNmt mutant, rezultând stabilizarea sau reducerea încărcăturii mutante între generații. Mecanismul care stă la baza blocajului este discutat cu metastazele matematice și experimentale recente și oferă dovezi pentru o combinație de împărțire aleatorie a ADNmt în diviziuni celulare și turnover aleatoriu a moleculelor de ADNmt în interiorul celulei.
Moștenirea paternă
Moștenirea dublă unidirecțională a ADNmt este observată la bivalve. La aceste specii, femelele au un singur tip de ADNmt (F), în timp ce masculii au ADNmt de tip F în celulele lor somatice, dar ADNmt de tip M (care poate fi divergent cu până la 30%) în celulele germinale. Mitocondriile moștenite materne au fost raportate în plus la unele insecte, cum ar fi muștele de fructe, albinele și cicadele periodice.
Moștenirea mitocondrială masculină a fost descoperită recent la puii Plymouth Rock. Dovezile susțin cazuri rare de moștenire mitocondrială masculină la unele mamifere. În special, există cazuri documentate pentru șoareci, în care mitocondriile moștenite de masculi au fost ulterior respinse. În plus, a fost găsit la oi, precum și la bovine clonate. Odată găsit în corpul unui bărbat.
Deși multe dintre aceste cazuri implică clonarea embrionilor sau respingerea ulterioară a mitocondriilor paterne, altele documentează moștenirea și persistența in vivo in vitro.
Donarea mitocondrială
FIV, cunoscută sub numele de donație mitocondrială sau terapie de înlocuire mitocondrială (MRT), are ca rezultat descendenți care conțin ADNmt de la donatori de sex feminin și ADN nuclear de la mamă și tată. În procedura de transfer al fusului, un nucleu de ou este introdus în citoplasma unui ou de la o femeie donatoare căreia i s-a îndepărtat nucleul, dar încă conține ADNmt al donatorului de sex feminin. Ovulul compozit este apoi fertilizat de spermatozoizii bărbatului. Această procedură este utilizată atunci când o femeie cu mitocondrii defecte genetic dorește să producă descendenți cu mitocondrii sănătoase. Primul copil cunoscut care s-a născut ca urmare a unei donații mitocondriale a fost un băiat născut într-un cuplu iordanian în Mexic pe 6 aprilie 2016.
Structura ADN-ului mitocondrial
În majoritatea organismelor multicelulare, ADNmt - sau mitogenomul - este organizat ca ADN rotund, închis circular, dublu catenar. Dar în multe organisme unicelulare (de exemplu, tetrahymena sau alga verde Chlamydomonas reinhardtii) și în cazuri rare în organisme multicelulare (de exemplu, unele specii de cnidari), ADNmt se găsește ca ADN organizat liniar. Majoritatea acestor ADNmt liniari posedă telomeri independenți de telomerază (adică capetele ADN-ului liniar) cu diferite moduri de replicare, ceea ce le-a făcut subiecte interesante de studiu, deoarece multe dintre aceste organisme unicelulare cu ADNmt liniar sunt agenți patogeni cunoscuți.
Pentru ADN-ul mitocondrial uman (și probabil pentru metazoare), 100-10.000 de copii individuale de ADNmt sunt de obicei prezente într-o celulă somatică (ouăle și spermatozoizii sunt excepții). La mamifere, fiecare moleculă circulară dublu catenară de ADNmt constă din 15.000-17.000 de perechi de baze. Cele două catene de ADNmt diferă în ceea ce privește conținutul lor de nucleotide, catena bogată în guanide este numită lanț greu (sau catena H), iar catena bogată în cinozină este numită lanț ușor (sau catena L). Lanțul greu codifică 28 de gene, iar lanțul ușor codifică 9 gene, pentru un total de 37 de gene. Din cele 37 de gene, 13 sunt pentru proteine (polipeptide), 22 sunt pentru transferul ARN (ARNt) și două sunt pentru subunități mici și mari de ARN ribozomal (ARNr). Mitogenomul uman conține gene care se suprapun (ATP8 și ATP6 și ND4L și ND4: vezi Harta genomului uman a mitocondriilor), ceea ce este rar în genomul animal. Modelul de 37 de gene se găsește, de asemenea, printre majoritatea metazoarelor, deși, în unele cazuri, una sau mai multe dintre aceste gene lipsesc și gama de dimensiuni ale ADNmt este mai mare. Există o variație și mai mare în conținutul și dimensiunea genelor mtDNA între ciuperci și plante, deși pare să existe un subset de gene care este prezent în toate eucariotele (cu excepția celor puține care nu au deloc mitocondrii). Unele specii de plante au ADNmt uriaș (până la 2.500.000 de perechi de baze per moleculă de ADNmt), dar, în mod surprinzător, chiar și aceste ADNmt uriașe conțin același număr și tipuri de gene ca și plantele înrudite cu ADNmt mult mai mic.
Genomul mitocondrial al castraveților (Cucumis Sativus) este format din trei cromozomi circulari (lungime 1556, 84 și 45 kb), care sunt complet sau în mare măsură autonomi în ceea ce privește replicarea lor.
În genomul mitocondrial se găsesc șase tipuri majore de genom. Aceste tipuri de genomi au fost clasificate de „Kolesnikov și Gerasimov (2012)” și diferă în diferite moduri, cum ar fi genomul circular versus genom liniar, dimensiunea genomului, prezența intronilor sau a structurilor asemănătoare plasmidelor și dacă materialul genetic este o moleculă distinctă, o colecție de molecule omogene sau eterogene.
Decodificarea genomului animal
În celulele animale, există un singur tip de genom mitocondrial. Acest genom conține o moleculă circulară între 11-28 kbp de material genetic (tip 1).
Decodificarea genomului plantei
Există trei tipuri diferite de genom găsite în plante și ciuperci. Primul tip este un genom circular, care are introni (tipul 2) cu lungimea cuprinsă între 19 și 1000 kbp. Al doilea tip de genom este un genom circular (aproximativ 20-1000 kbp), care are și o structură plasmidică (1kb) (tip 3). Ultimul tip de genom care poate fi găsit în plante și ciuperci este genomul liniar, format din molecule omogene de ADN (tip 5).
Decodificarea genomului protistului
Protistii contin o mare varietate de genomi mitocondriali, care includ cinci tipuri diferite. Tipul 2, tipul 3 și tipul 5, menționate în genomul plantelor și fungilor, există și la unii protiști, precum și două tipuri de genom unice. Prima dintre acestea este o colecție eterogenă de molecule circulare de ADN (tip 4), iar tipul final de genom găsit la protisti este o colecție eterogenă de molecule liniare (tip 6). Tipurile de genom 4 și 6 variază de la 1 la 200 kb.
Transferul de gene endosimbiotice, procesul de gene codificate în genomul mitocondrial fiind purtat în principal de genomul celulei, explică probabil de ce organisme mai complexe, cum ar fi oamenii, au genomi mitocondriali mai mici decât organismele mai simple, cum ar fi protozoarele.
Replicarea ADN-ului mitocondrial
ADN-ul mitocondrial este replicat de complexul ADN polimerază gamma, care constă dintr-o ADN polimerază catalitică de 140 kDa codificată de gena POLG și două subunități accesorii de 55 kDa codificate de gena POLG2. Aparatul de replicare este format din ADN polimerază, TWINKLE și proteine SSB mitocondriale. TWINKLE este o elicază care desfășoară porțiuni scurte de dsDNA în direcția 5" până la 3".
În timpul embriogenezei, replicarea ADNmt este strâns reglată de la ovocitul fertilizat prin embrionul preimplantare. Reducerea efectivă a numărului de celule din fiecare celulă, ADNmt joacă un rol în blocajul mitocondrial, care exploatează variabilitatea de la celulă la celulă pentru a îmbunătăți moștenirea mutațiilor dăunătoare. În stadiul de blastocite, debutul replicării ADNmt este specific celulelor troftocodificatoare. În schimb, celulele masei celulare interioare restricționează replicarea ADNmt până când primesc semnale pentru a se diferenția în tipuri specifice de celule.
Transcrierea ADN-ului mitocondrial
În mitocondriile animale, fiecare catenă de ADN este transcrisă continuu și produce o moleculă de ARN policistronic. Există tARN-uri prezente între majoritatea (dar nu toate) regiunile care codifică proteine (vezi Harta genomului mitocondriilor umane). În timpul transcripției, ARNt dobândește o formă L caracteristică, care este recunoscută și scindată de enzime specifice. Când ARN-ul mitocondrial este procesat, fragmente individuale de ARNm, ARNr și ARNt sunt eliberate din transcriptul primar. Astfel, tRNA-urile pliate acționează ca semne de punctuație minore.
Boli mitocondriale
Conceptul că ADNmt este deosebit de susceptibil la speciile reactive de oxigen generate de lanțul respirator datorită proximității sale rămâne controversat. ADNmt nu acumulează mai multe baze oxidative decât ADN-ul nuclear. S-a raportat că cel puțin unele tipuri de leziuni oxidative ale ADN-ului sunt reparate mai eficient în mitocondrii decât în nucleu. ADNmt este ambalat cu proteine care par a fi la fel de protectoare ca și proteinele cromatinei nucleare. Mai mult, mitocondriile au dezvoltat un mecanism unic care menține integritatea ADNmt prin degradarea genomilor deteriorați excesiv, urmată de replicarea ADNmt intact/reparat. Acest mecanism este absent în nucleu și este activat de mai multe copii ale ADNmt prezente în mitocondrii. Rezultatul unei mutații în ADNmt poate fi o modificare a instrucțiunilor de codificare pentru anumite proteine, care poate afecta metabolismul și/sau fitnessul organismului.
Mutațiile ADN mitocondrial pot duce la o serie de boli, inclusiv intoleranța la efort și sindromul Kearns-Sayre (KSS), care determină o persoană să-și piardă funcția completă a mișcărilor inimii, ochilor și mușchilor. Unele dovezi sugerează că acestea pot contribui semnificativ la procesul de îmbătrânire și la patologiile legate de vârstă. Mai exact, în contextul bolii, proporția de molecule mutante de ADNmt într-o celulă se numește heteroplasmă. Distribuțiile heteroplasmei în interiorul și între celule dictează debutul și severitatea bolii și sunt influențate de procese stohastice complexe în interiorul celulei și în timpul dezvoltării.
Mutațiile în ARNt-urile mitocondriale pot fi responsabile pentru boli severe, cum ar fi sindroamele MELAS și MERRF.
Mutațiile genelor nucleare care codifică proteine care folosesc mitocondriile pot contribui, de asemenea, la bolile mitocondriale. Aceste boli nu urmează modele de moștenire mitocondrială, ci în schimb urmează modele mendeliane de moștenire.
Recent, mutațiile din ADNmt au fost folosite pentru a ajuta la diagnosticarea cancerului de prostată la pacienții cu biopsie negativă.
Mecanismul îmbătrânirii
Deși ideea este controversată, unele dovezi sugerează o legătură între îmbătrânire și disfuncția mitocondrială a genomului. În esență, mutațiile din ADNmt perturbă echilibrul atent al producției reactive de oxigen (ROS) și producției enzimatice de ROS (de către enzime precum superoxid dismutaza, catalaza, glutation peroxidază și altele). Cu toate acestea, unele mutații care măresc producția de ROS (de exemplu, prin reducerea apărării antioxidante) la viermi cresc, mai degrabă decât scad, longevitatea acestora. În plus, șobolanii nuzi de molii, rozătoare de mărimea șoarecilor, trăiesc de aproximativ opt ori mai mult decât șoarecii, în ciuda faptului că au scăderea apărării antioxidante și a crescut daunele oxidative la biomolecule în comparație cu șoarecii.
La un moment dat s-a crezut că există o buclă de feedback virtuoasă la locul de muncă ("Circul vicios"); deoarece ADN-ul mitocondrial acumulează daune genetice cauzate de radicalii liberi, mitocondriile își pierd funcția și eliberează radicali liberi în citosol. Scăderea funcției mitocondriale reduce eficiența metabolică generală. Cu toate acestea, acest concept a fost în cele din urmă infirmat când s-a demonstrat că șoarecii modificați genetic pentru a acumula mutații ADNmt la o rată crescută îmbătrânesc prematur, dar țesuturile lor nu produc mai mult ROS, așa cum este prezis de ipoteza „ciclului vicios”. Sprijinind legătura dintre longevitate și ADN-ul mitocondrial, unele studii au găsit corelații între proprietățile biochimice ale ADN-ului mitocondrial și longevitatea speciilor. Sunt efectuate cercetări ample pentru a explora în continuare această legătură și tratamentele anti-îmbătrânire. În prezent, terapia genică și suplimentele nutraceutice sunt domenii populare de cercetare în curs. Bjelakovic și colab. a analizat rezultatele a 78 de studii între 1977 și 2012, care au implicat un total de 296.707 de participanți și a concluzionat că suplimentele cu antioxidanți nu au redus mortalitatea din orice cauză și nici nu prelungesc speranța de viață, în timp ce unele dintre acestea, cum ar fi beta-carotenul, vitamina E și mai mult. dozele de vitamina A, poate crește de fapt mortalitatea.
Punctele de întrerupere de ștergere apar adesea în sau în apropierea regiunilor care prezintă conformații non-canonice (non-B), și anume elemente asemănătoare ac de păr, cruce și trifoi. În plus, există dovezi că regiunile curbilinie cu distorsiuni elicoidale și tetradele G lungi sunt implicate în detectarea evenimentelor de instabilitate. În plus, puncte de densitate mai mare au fost observate în mod constant în regiunile cu GC oblic și în imediata apropiere a fragmentului de secvență degenerat YMMYMNNMMHM.
Cum este ADN-ul mitocondrial diferit de ADN-ul nuclear?
Spre deosebire de ADN-ul nuclear, care este moștenit de la ambii părinți și în care genele sunt rearanjate prin procesul de recombinare, de obicei nu există nicio modificare a ADNmt de la părinte la descendent. Deși mtDNA se recombină, de asemenea, o face cu copii ale lui însuși în aceeași mitocondrie. Din acest motiv, rata de mutație a ADNmt animal este mai mare decât cea a ADN-ului nuclear. ADNmt este un instrument puternic de urmărire a descendenței matrițelor și a fost folosit în acest rol pentru a urmări descendența multor specii cu sute de generații în urmă.
Rata rapidă de mutație (la animale) face ADNmt util pentru evaluarea relațiilor genetice ale indivizilor sau grupurilor din cadrul unei specii și pentru identificarea și cuantificarea filogeniilor (relații evolutive) între diferite specii. Pentru a face acest lucru, biologii determină și apoi compară secvența ADNmt de la diferiți indivizi sau specii. Datele din comparații sunt utilizate pentru a construi o rețea de relații între secvențe care oferă o estimare a relațiilor dintre indivizii sau speciile de la care a fost luat ADNmt. ADNmt poate fi utilizat pentru a evalua relațiile dintre speciile apropiate și cele îndepărtate. Datorită frecvenței ridicate a mutațiilor ADNmt la animale, codonii de poziție a treia se schimbă relativ rapid și oferă astfel informații despre distanțele genetice dintre indivizi sau specii strâns înrudite. Pe de altă parte, rata de substituție a proteinelor mt este foarte scăzută, astfel încât modificările de aminoacizi se acumulează lent (cu modificări lente corespunzătoare în pozițiile codonului 1 și 2) și astfel oferă informații despre distanțele genetice ale rudelor îndepărtate. Modelele statistice care iau în considerare ratele de substituție între pozițiile codonilor separat pot fi, prin urmare, utilizate pentru a estima simultan filogeniile care conțin atât specii strâns înrudite, cât și specii îndepărtate.
Istoria descoperirii mtDNA
ADN-ul mitocondrial a fost descoperit în anii 1960 de Margit M. K. Nas și Silvan Nas folosind microscopia electronică ca fire sensibile la DNază în mitocondrii și de Ellen Hasbrunner, Hans Tappi și Gottfried Schatz din analize biochimice pe fracții mitocondriale înalt purificate.
ADN-ul mitocondrial a fost recunoscut pentru prima dată în 1996, în timpul Tennessee v. Paul Ware. În 1998, în cauza judecătorească Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynn Rorrer, ADN-ul mitocondrial a fost admis ca probe pentru prima dată în statul Pennsylvania. Cazul a fost prezentat în episodul 55 din sezonul 5 din seria de cazuri True Drama Forensic Court (sezonul 5).
ADN-ul mitocondrial a fost recunoscut pentru prima dată în California în timpul urmăririi cu succes a lui David Westerfield pentru răpirea și uciderea în 2002 a Danielle van Dam, în vârstă de 7 ani, în San Diego, și a fost folosit pentru a identifica atât oameni, cât și câini. Acesta a fost primul test din SUA care a rezolvat ADN-ul canin.
baze de date mtDNA
Au fost create mai multe baze de date specializate pentru a colecta secvențe de genom mitocondrial și alte informații. Deși majoritatea se concentrează pe datele secvenței, unele includ informații filogenetice sau funcționale.
- MitoSatPlant: baza de date cu microsateliți de viridiplante mitocondriale.
- MitoBreak: Baza de date privind punctele de întrerupere a ADN-ului mitocondrial.
- MitoFish și MitoAnnotator: baza de date a genomului mitocondrial de pește. Vezi, de asemenea, Cawthorn et al.
- MitoZoa 2.0: bază de date pentru analiza comparativă și evolutivă a genomului mitocondrial (nu mai este disponibilă)
- InterMitoBase: o bază de date adnotată și o platformă de analiză a interacțiunii proteine-proteine pentru mitocondriile umane (ultima actualizare în 2010, dar încă nu este disponibilă)
- Mitome: bază de date pentru genomica mitocondrială comparativă în metazoare (nu mai este disponibilă)
- MitoRes: o resursă pentru genele mitocondriale codificate nuclear și produsele lor în metazoare (nu mai este actualizată)
Există mai multe baze de date specializate care raportează polimorfisme și mutații în ADN-ul mitocondrial uman, împreună cu evaluări ale patogenității acestora.
- MITOMAP: un compendiu de polimorfisme și mutații în ADN-ul mitocondrial uman.
- MitImpact: Culegere de predicții de patogenitate prezisă pentru toate modificările nucleotidelor care provoacă substituții nesinonime în genele care codifică proteinele mitocondriale umane.
De ce mitocondriile au nevoie de propriul ADN? Deși, de ce nu ar trebui simbioții să aibă propriul lor ADN în ei înșiși, producând tot ce au nevoie pe loc? De ce atunci transferați o parte din ADN-ul mitocondrial în nucleul celulei, creând nevoia de a transporta produse genetice în mitocondrii? De ce mitocondriile sunt transmise doar de la un părinte? Cum coexistă mitocondriile primite de la mamă cu genomul celulei, alcătuit din ADN-ul mamei și al tatălui? Cu cât oamenii învață mai mulți despre mitocondrii, cu atât apar mai multe întrebări.
Totuși, acest lucru se aplică nu numai mitocondriilor: în orice domeniu al oricărei științe, extinderea sferei cunoașterii duce doar la o creștere a suprafeței sale în contact cu necunoscutul, ridicând tot mai multe întrebări noi, ale căror răspunsuri se vor extinde la fel. sferă cu același rezultat previzibil.
Deci, ADN-ul mitocondriilor moderne este distribuit într-un mod foarte ciudat: o mică parte a genelor este conținută direct în mitocondrie într-un cromozom circular (mai precis, în mai multe copii ale aceluiași cromozom în fiecare mitocondrie) și majoritatea planurile pentru producerea componentelor mitocondriei sunt stocate în nucleul celular. Prin urmare, copiarea acestor gene are loc concomitent cu copierea genomului întregului organism, iar produsele produse de acestea parcurg un drum lung de la citoplasma celulei în mitocondrii. Cu toate acestea, acest lucru este convenabil în multe feluri: mitocondria este eliberată de nevoia de a copia toate aceste gene în timpul reproducerii, de a le citi și de a construi proteine și alte componente, concentrându-se pe funcția sa principală de a produce energie. De ce, atunci, mai există ADN mic în mitocondrii, a cărui întreținere necesită toate aceste mecanisme, fără de care mitocondriile ar putea dedica și mai multe resurse scopului principal al existenței lor?
La început s-a presupus că ADN-ul rămas în mitocondrii era un atavism, o moștenire a unei pro-mitocondrii absorbite de metanogen, care are un genom bacterian complet. La începutul simbiozei lor, în ciuda existenței în nucleu a acelor gene mitocondriale ( genele m), care au fost necesare pentru a menține un mediu confortabil pentru pro-mitocondrii în interiorul metanogenului (acest lucru este scris în detaliu despre mitocondrii), aceleași gene au fost stocate în fiecare dintre mitocondrii. Pro-mitocondria, la începutul vieții sale ca simbiont, arăta aproximativ la fel ca bacteria modernă din diagrama din stânga acestui paragraf.
Și foarte încet, din cauza lipsei cererii, aceste gene au dispărut din cromozomul mitocondrial ca urmare a unei varietăți de mutații. Dar nucleul celulei a acumulat din ce în ce mai multe gene m, care au intrat în citoplasmă din simbioții-mitocondrii distruși și au fost integrate în genomul himerei eucariote. De îndată ce gena m nou introdusă a început să fie citită, mecanismele celulare au produs produsele necesare mitocondriilor, eliberând simbiontii de a le crea independent. Aceasta înseamnă că analogul mitocondrial al genei care a trecut în nucleu nu a mai fost menținut în stare de funcționare prin selecție naturală și a fost șters prin mutații în același mod ca toate precedentele. Prin urmare, ar fi logic să presupunem că în curând acele gene care rămân încă în mitocondrii se vor muta în nucleu, ceea ce va duce la mari beneficii energetice pentru eucariote: la urma urmei, mecanismele greoaie de copiere, citire și corectare a ADN-ului pot fi îndepărtate din fiecare mitocondrie și deci tot ce aveți nevoie pentru a crea proteine.
Ajunși la această concluzie, oamenii de știință au calculat cât timp va dura toate genele pentru a migra de la mitocondrie la nucleu prin deriva naturală. Și s-a dovedit că acest termen a trecut de mult. La momentul apariției celulei eucariote, mitocondriile aveau un genom bacterian obișnuit de câteva mii de gene (oamenii de știință determină cum era acest genom prin studierea genelor m transferate în nucleu în diferite organisme), dar acum mitocondriile tuturor tipurilor de eucariote s-au pierdut de la 95 la 99,9% din genele lor. Nimeni nu avea mai mult de o sută de gene rămase în mitocondrii, dar nimeni nu avea nici o mitocondrie fără gene. Dacă întâmplarea ar fi jucat un rol cheie în acest proces, atunci cel puțin mai multe specii ar fi finalizat deja calea transferului de gene către nucleu. Dar acest lucru nu s-a întâmplat, iar mitocondriile diferitelor specii studiate până acum, care își pierd genele independent unele de altele, au păstrat același set de ele, ceea ce indică în mod direct necesitatea prezenței acestor gene particulare în mitocondrii.
Mai mult, alte organite producătoare de energie ale celulelor, cloroplastele, au și ele propriul ADN și, în același mod, cloroplastele din specii diferite au evoluat în paralel și independent, fiecare rămânând cu același set de gene.
Aceasta înseamnă că toate acele inconveniente semnificative ale menținerii propriului genom în fiecare mitocondrie celulară (și în medie o celulă conține câteva sute!) și aparatul greoi de copiere-corecție-traducere (cele principale, dar nu toate! părțile din imaginea din stânga ) sunt depășite de ceva.
Și în acest moment există o teorie consecventă a acestui „ceva”: capacitatea de a produce anumite părți ale mitocondriilor direct în interior este necesară pentru a regla rata respirației și a ajusta procesele care au loc în mitocondrii la nevoile în continuă schimbare ale întreg organismul.
Imaginați-vă că una dintre sutele de mitocondrii dintr-o celulă lipsește brusc de elemente ale lanțului respirator (pentru mai multe detalii, vezi) sau nu are suficiente ATP sintaze. Se dovedește că fie este supraîncărcat cu alimente și oxigen și nu le poate procesa suficient de repede, fie spațiul său intermembranar este plin de protoni care nu au unde să meargă - un dezastru total în general. Desigur, toate aceste abateri de la situația ideală de viață declanșează semnale multiple menite să niveleze lista navei care se scufundă.
Aceste semnale declanșează producerea exact a acelor părți care le lipsesc mitocondriilor în acest moment, activând citirea genelor prin care sunt construite proteinele. De îndată ce mitocondria are suficiente componente ale lanțului respirator sau ATPazele, „înclinarea se va nivela”, semnalele pentru necesitatea de a construi noi piese vor înceta să mai vină, iar genele vor fi oprite din nou. Acesta este unul dintre mecanismele uimitor de elegant, prin simplitatea sa, necesare de autoreglare a celulelor, cea mai mică încălcare a acesteia duce la boli grave sau chiar neviabilitate a organismului.
Să încercăm să determinăm în mod logic unde ar trebui să fie localizate genele necesare pentru a răspunde la acest semnal de primejdie. Imaginează-ți o situație în care aceste gene sunt situate în nucleul unei celule care conține câteva sute de mitocondrii. Într-una dintre mitocondrii, de exemplu, a apărut o deficiență NADH dehidrogenaze: prima enzimă a lanțului respirator, al cărei rol este de a elimina doi electroni din molecula NADH, de a-i transfera la următoarea enzimă și de a pompa 2-4 protoni peste membrană.
De fapt, astfel de deficiențe ale oricărei enzime apar destul de des, deoarece eșuează periodic, cantitatea de hrană consumată se schimbă constant, nevoia de ATP a celulei crește și în urma sărurilor sau bălăcirii organismului care conține această celulă. Prin urmare, situația este foarte tipică. Și astfel mitocondria emite un semnal: „trebuie să construiți mai multă NADH dehidrogenază!”, care depășește limitele sale, trece prin citoplasmă către nucleu, pătrunde în nucleu și declanșează citirea genelor necesare. După standardele celulare, timpul de tranzit al acestui semnal este foarte semnificativ, dar este, de asemenea, necesar să trageți ARN-ul mesager construit din nucleu în citoplasmă, să creați proteine folosindu-l și să le trimiteți la mitocondrie...
Și aici apare o problemă care este mult mai semnificativă decât pierderea timpului suplimentar: atunci când se creează proteine mitocondriale specializate, acestea sunt marcate cu un semnal „livrează mitocondrii”, dar care? Necunoscut. Prin urmare, fiecare dintre câteva sute de mitocondrii începe să primească proteine de care nu au nevoie. Celula cheltuiește resurse pentru producerea și livrarea lor, mitocondriile sunt umplute cu lanțuri respiratorii în exces (ceea ce duce la procese respiratorii ineficiente), iar singura mitocondrie care are nevoie de aceste proteine nu le primește în cantități suficiente, pentru că în cel mai bun caz primește o sutime. a ceea ce se produce. Așa că ea continuă să trimită semnale de primejdie și haosul continuă. Chiar și din această descriere lirică și superficială a ceea ce se întâmplă, este clar că o astfel de celulă nu este viabilă. Și că există gene care trebuie citite și traduse direct în mitocondrii pentru a regla procesele care au loc în ele, și să nu se bazeze pe planul de producere a unghiilor lansat de miezul partidului... adică proteine ale lanțului respirator pt. toate mitocondriile deodată.
După ce am verificat ce anume a fost produs în mitocondriile diferitelor organisme care au rămas în mitocondrii (și, prin urmare, au mutat genele m în nucleu independent unul de celălalt), am descoperit că acestea erau tocmai elementele pentru construirea lanțurilor respiratorii și ATPază, așa cum precum și ribozomii (adică partea principală a aparatului de difuzare).
Puteți citi mai multe despre acest lucru (și mai multe) de la Lane la „Energie, sex, sinucidere: mitocondriile și sensul vieții”. Ei bine, puteți compara pur și simplu diagrama ADN-ului mitocondrial, unde produsele codificate sunt descifrate (în dreapta acestui paragraf), cu diagrama lanțului respirator (mai sus), astfel încât să devină clar ce anume se produce în mitocondrii. . Desigur, nu toate proteinele introduse în acest lanț sunt produse local, unele dintre ele sunt construite în citoplasma celulei. Dar principalele „ancore” de care se agață alte părți sunt create în interiorul mitocondriilor. Acest lucru vă permite să produceți exact câte enzime aveți nevoie și exact acolo unde sunt necesare.
Cum sunt mitocondriile legate de sex și cum coexistă diferite genomi într-o celulă, voi scrie într-unul dintre următoarele capitole ale acestui rând.
ADN-ul mitocondrial situat în matrice este o moleculă circulară dublu catenară închisă, în celulele umane având o dimensiune de 16569 perechi de nucleotide, care este de aproximativ 10 5 ori mai mică decât ADN-ul localizat în nucleu. În total, ADN-ul mitocondrial codifică 2 ARNr, 22 ARNt și 13 subunități de enzime ale lanțului respirator, ceea ce reprezintă nu mai mult de jumătate din proteinele găsite în el. În special, șapte subunități de ATP sintetază, trei subunități de citocrom oxidază și o subunitate de ubichinol-citocrom sunt codificate sub controlul genomului mitocondrial. Cu-reductaza. În acest caz, toate proteinele, cu excepția unuia, două ribozomale și șase ARNt sunt transcrise din lanțul ADN mai greu (exterior), iar alte 14 ARNt și o proteină sunt transcrise din lanțul mai ușor (intern).
Pe acest fond, genomul mitocondrial al plantei este mult mai mare și poate ajunge la 370.000 de perechi de nucleotide, care este de aproximativ 20 de ori mai mare decât genomul mitocondrial uman descris mai sus. Numărul de gene aici este, de asemenea, de aproximativ 7 ori mai mare, ceea ce este însoțit de apariția în mitocondriile plantelor a unor căi suplimentare de transport de electroni care nu sunt asociate cu sinteza ATP.
ADN-ul mitocondrial se replică în interfază, care este parțial sincronizată cu replicarea ADN-ului în nucleu. În timpul ciclului celular, mitocondriile se împart în două prin constricție, a căror formare începe de la un șanț circular pe membrana mitocondrială interioară. Un studiu detaliat al secvenței de nucleotide a genomului mitocondrial a arătat că abaterile de la codul genetic universal sunt comune în mitocondriile animalelor și ciupercilor. Astfel, în mitocondriile umane, codonul TAT, în loc de izoleucina din codul standard, codifică aminoacidul metionină, codonii TCT și TCC, care codifică de obicei arginină, sunt codoni stop, iar codonul AST, care este un codon stop în mitocondriile umane. cod standard, codifică aminoacidul metionină. În ceea ce privește mitocondriile plantelor, ele se pare că folosesc un cod genetic universal. O altă caracteristică a mitocondriilor este particularitatea recunoașterii codonilor ARNt, care constă în faptul că o astfel de moleculă este capabilă să recunoască nu unul, ci trei sau patru codoni simultan. Această caracteristică reduce importanța celei de-a treia nucleotide în codon și duce la faptul că mitocondriile necesită mai puțină varietate de tipuri de ARNt. În acest caz, doar 22 de ARNt diferite se dovedesc a fi suficiente.
Având propriul său aparat genetic, mitocondria are și propriul sistem de sinteză a proteinelor, o caracteristică a căruia în celulele animale și fungice sunt ribozomi foarte mici, caracterizați printr-un coeficient de sedimentare de 55S, care este chiar mai mic decât cel al ribozomilor din anii 70 ai procariotului. tip. Mai mult, cei doi ARN ribozomal mari sunt, de asemenea, mai mici ca dimensiune decât la procariote, iar ARNr-ul mic este absent cu totul. În mitocondriile plantelor, dimpotrivă, ribozomii sunt mai asemănători cu cei procarioți ca mărime și structură.
Proprietățile și funcțiile ADN-ului.
ADN-ul sau acidul dezoxiribonucleic este materialul ereditar de bază prezent în toate celulele corpului și mediază în primul rând funcțiile celulare, creșterea, reproducerea și moartea. Structura ADN-ului, numită structură elicoidală dublu catenară, a fost descrisă pentru prima dată de Watson și Crick în 1953.
De atunci s-au făcut progrese enorme în sinteza, secvențierea și manipularea ADN-ului. ADN-ul în zilele noastre poate fi virtualizat sau analizat pentru detalii și chiar pot fi inserate gene pentru a provoca modificări ale funcției și structurii ADN-ului.
Scopul principal al materialului ereditar este de a stoca informații ereditare pe baza cărora se formează fenotipul. Cele mai multe dintre caracteristicile și proprietățile organismului sunt determinate de sinteza proteinelor care îndeplinesc diverse funcții. Astfel, materialul ereditar trebuie să conțină informații despre structura moleculelor proteice extrem de diverse, a căror specificitate depinde de compoziția calitativă și cantitativă a acestora. aminoacizi, precum și în ordinea dispunerii lor în lanțul peptidic. În consecință, compoziția de aminoacizi a proteinelor trebuie să fie codificată în molecule de acid nucleic.
La începutul anilor '50, s-a sugerat că există o modalitate de a înregistra informațiile genetice, în care codificarea aminoacizilor individuali dintr-o moleculă de proteină ar trebui să fie efectuată folosind anumite combinații de patru nucleotide diferite din molecula de ADN. Pentru a cripta mai mult de 20 de aminoacizi, numărul necesar de combinații este furnizat doar de un cod triplet, adică un cod care include trei nucleotide adiacente. În acest caz, numărul de combinații de patru baze azotate în trei este 41 = 64. Ipoteza despre natura tripletă a codului genetic a primit ulterior confirmare experimentală, iar în perioada 1961-1964, un cod a fost descoperit cu ajutorul din care ordinea aminoacizilor este scrisă în molecule de acid nucleic peptidă.
De la masă 6 arată că din 64 de tripleți, 61 de tripleți codifică unul sau altul aminoacid, iar aminoacizii individuali sunt criptați de mai mult de un triplet, sau codon (fenilalanină, leucină, valină, serie etc.). Câteva tripleți nu codifică aminoacizi, iar funcțiile lor sunt asociate cu desemnarea regiunii terminale a moleculei proteice.
Citirea informațiilor înregistrate într-o moleculă de acid nucleic se realizează secvenţial, codon cu codon, astfel încât fiecare nucleotidă să facă parte dintr-un singur triplet.
Studiul codului genetic la organismele vii cu diferite niveluri de organizare a demonstrat universalitatea acestui mecanism de înregistrare a informațiilor în natura vie.
Astfel, cercetările de la mijlocul secolului XX au scos la iveală mecanismul de înregistrare a informațiilor ereditare în moleculele de acid nucleic folosind un cod biologic, care se caracterizează prin următoarele proprietăți: a) tripletate - aminoacizii sunt criptați prin tripleți de nucleotide - codoni; b) specificitate - fiecare triplet codifică doar un aminoacid specific; c) universalitate - la toate organismele vii codificarea acelorași aminoacizi se realizează de către aceiași codoni; d) degenerare - mulți aminoacizi sunt criptați de mai mult de un triplet; e) nesuprapunere - informaţia se citeşte secvenţial triplet cu triplet: AAGCTTCAGCCAT.
Pe lângă înregistrarea și stocarea informațiilor biologice, funcția materialului ereditar este reproducerea și transmiterea acestuia la o nouă generație în procesul de reproducere a celulelor și organismelor. Această funcție a materialului ereditar este îndeplinită de moleculele de ADN în procesul de reduplicare, adică reproducerea absolut exactă a structurii, datorită implementării principiului complementarității (vezi 2.1).
În fine, a treia funcție a materialului ereditar reprezentat de moleculele de ADN este de a asigura procese specifice în timpul implementării informațiilor conținute în acesta. Această funcție este realizată cu participarea diferitelor tipuri de ARN, care asigură procesul de translație, adică asamblarea unei molecule de proteină care are loc în citoplasmă pe baza informațiilor primite de la nucleu (vezi 2.4). În timpul implementării informațiilor ereditare stocate sub formă de molecule de ADN în cromozomii nucleului, se disting mai multe etape.
1. Citirea informațiilor dintr-o moleculă de ADN în timpul sintezei ARNm - transcripție, care se realizează pe una dintre catenele dublei helix a lanțului ADN-codogen conform principiului complementarității (vezi 2.4).
2. Prepararea produsului de transcripție pentru eliberarea în citoplasmă - maturarea ARNm.
3. Asamblarea unui lanț peptidic de aminoacizi pe ribozomi pe baza informațiilor înregistrate în molecula de ARNm, cu participarea ARNt de transport - traducere (vezi 2.4).
4. Formarea structurilor proteice secundare, terțiare și cuaternare, care corespunde formării unei proteine funcționale (semn simplu).
5. Formarea unei trăsături complexe ca urmare a participării mai multor produse genetice (proteine enzimatice sau alte proteine) la procesele biochimice.
Structura cu dublu helix a ADN-ului, ținută împreună doar prin legături de hidrogen, poate fi ușor distrusă. Ruperea legăturilor de hidrogen dintre lanțurile polinucleotidice ADN poate fi realizată în soluții foarte alcaline (la pH > 12,5) sau prin încălzire. După aceasta, firele de ADN sunt complet separate. Acest proces se numește denaturare sau topirea ADN-ului.
Denaturarea modifică unele dintre proprietățile fizice ale ADN-ului, cum ar fi densitatea sa optică. Bazele de azot absorb lumina în regiunea ultravioletă (cu un maxim apropiat de 260 nm). ADN-ul absoarbe lumina cu aproape 40% mai puțin decât un amestec de nucleotide libere din aceeași compoziție. Acest fenomen se numește efect hipocromic și este cauzat de interacțiunea bazelor atunci când acestea sunt situate într-o dublă helix.
Orice abatere de la starea dublu catenară afectează modificarea mărimii acestui efect, adică. densitatea optică se deplasează spre valoarea caracteristică bazelor libere. Astfel, denaturarea ADN-ului poate fi observată prin modificări ale densității sale optice.
Când ADN-ul este încălzit, temperatura medie a intervalului la care se separă catenele de ADN se numește punct de topire și este desemnată T pl. În soluția T pl de obicei se află în intervalul 85-95 °C. Curba de topire a ADN-ului are întotdeauna aceeași formă, dar poziția sa pe scara temperaturii depinde de compoziția bazei și de condițiile de denaturare (Fig. 1). Perechile G-C legate prin trei legături de hidrogen sunt mai refractare decât perechile A-T care au două legături de hidrogen, astfel încât, pe măsură ce conținutul G-C-nap crește, valoarea T pl crește. ADN, 40% format din G-C (caracteristic genomului mamiferelor), se denaturează la T pl aproximativ 87 °C, în timp ce ADN-ul care conține 60% G-C are T pl
aproximativ 95 °C.
Temperatura denaturarii ADN-ului (cu exceptia compozitiei bazelor) este influentata de puterea ionica a solutiei. Mai mult, cu cât concentrația de cationi monovalenți este mai mare, cu atât este mai mare T pl. Valoarea T pl de asemenea, se modifică foarte mult atunci când substanțe precum formamida (amida acidului formic HCONH2) sunt adăugate în soluția de ADN, care
destabiliza legăturile de hidrogen. Prezența sa face posibilă reducerea T pl, până la 40 °C.
Procesul de denaturare este reversibil. Fenomenul de refacere a structurii duble helix pe baza a două separări de catene complementare se numește renaturare ADN. Pentru a efectua renaturarea, de regulă, este suficient să diluați o soluție de ADN denaturat.
Renaturarea implică două secvențe complementare care au fost separate în timpul denaturarii. Cu toate acestea, orice secvențe complementare care sunt capabile să formeze o structură dublu catenară pot fi regenerate. Dacă împreună. recoace ADN monocatenar care provine din diferite surse, formarea unei structuri de ADN dublu catenar se numește hibridizare.
Informații conexe.
© G.M
Surprize ale genomului mitocondrial
G.M. Dimshits
Grigory Moiseevich Dymshits, Doctor în Științe Biologice, Profesor al Departamentului de Biologie Moleculară, Universitatea de Stat Novosibirsk, Șef al Laboratorului de Structura Genomului al Institutului de Citologie și Genetică, Filiala Siberiană a Academiei Ruse de Științe. Coautor și editor a patru manuale școlare de biologie generală.A trecut un sfert de secol de la descoperirea moleculelor de ADN în mitocondrii înainte ca nu numai biologii moleculari și citologii să se intereseze de ele, ci și geneticienii, evoluționiştii, precum și paleontologii și criminologii, istoricii și lingviștii. Un astfel de interes larg răspândit a fost provocat de munca lui A. Wilson de la Universitatea din California. În 1987, a publicat rezultatele unei analize comparative a ADN-ului mitocondrial prelevat de la 147 de reprezentanți ai diferitelor grupuri etnice ale tuturor raselor umane care locuiesc pe cinci continente. Pe baza tipului, locației și numărului de mutații individuale, s-a stabilit că tot ADN-ul mitocondrial a apărut dintr-o secvență de nucleotide ancestrală prin divergență. În presa pseudoștiințifică, această concluzie a fost interpretată într-un mod extrem de simplificat - întreaga umanitate descindea dintr-o singură femeie, numită Eva mitocondrială (atât fiicele, cât și fiii primesc mitocondriile doar de la mama lor), care a trăit în nord-estul Africii în jur de 200. acum mii de ani. Alți 10 ani mai târziu, a fost posibil să se descifreze un fragment de ADN mitocondrial izolat din rămășițele unui Neanderthal și să se estimeze existența ultimului strămoș comun al oamenilor și al oamenilor de Neanderthal la 500 de mii de ani în urmă.
Astăzi, genetica mitocondrială umană se dezvoltă intens atât în ceea ce privește populația, cât și aspectele medicale. S-a stabilit o legătură între o serie de boli ereditare severe și defecte ale ADN-ului mitocondrial. Modificările genetice asociate cu îmbătrânirea sunt cele mai pronunțate în mitocondrii. Care este genomul mitocondrial care diferă la oameni și alte animale de cel al plantelor, ciupercilor și protozoarelor ca mărime, formă și capacitate genetică? Cum funcționează genomul mitocondrial și cum a apărut în diferiți taxoni? Acest lucru va fi discutat în articolul nostru.
Mitocondriile sunt numite stațiile energetice ale celulei. Pe lângă membrana netedă exterioară, au o membrană interioară care formează numeroase pliuri - cristae. Acestea conțin componente proteice încorporate ale lanțului respirator - enzime implicate în transformarea energiei legăturilor chimice ale nutrienților oxidați în energia moleculelor de acid adenozin trifosforic (ATP). Cu această „monedă convertibilă” celula își plătește toate nevoile de energie. În celulele plantelor verzi, pe lângă mitocondrii, există și alte stații energetice - cloroplaste. Ele funcționează pe „baterii solare”, dar formează și ATP din ADP și fosfat. Ca și mitocondriile, cloroplastele - organele care se reproduc autonom - au și ele două membrane și conțin ADN.
Pe lângă ADN, matricea mitocondrială conține și proprii ribozomi, care diferă prin multe caracteristici de ribozomii eucarioți localizați pe membranele reticulului endoplasmatic. Cu toate acestea, nu mai mult de 5% din toate proteinele incluse în compoziția lor sunt formate pe ribozomii mitocondriilor. Majoritatea proteinelor care alcătuiesc componentele structurale și funcționale ale mitocondriilor sunt codificate de genomul nuclear, sintetizate pe ribozomii reticulului endoplasmatic și transportate prin canalele sale până la locul de asamblare. Astfel, mitocondriile sunt rezultatul eforturilor combinate a doi genomi și a două aparate de transcripție și traducere. Unele enzime subunități ale lanțului respirator mitocondrial constau din polipeptide diferite, dintre care unele sunt codificate de genomul nuclear, iar altele de genomul mitocondrial. De exemplu, enzima cheie a fosforilării oxidative, citocrom c oxidaza din drojdie, constă din trei subunități codificate și sintetizate în mitocondrii și patru subunități codificate în nucleul celulei și sintetizate în citoplasmă. Expresia majorității genelor mitocondriale este controlată de gene nucleare specifice.
Dimensiunile și formele genomilor mitocondriali
Până în prezent, au fost citite peste 100 de genomi mitocondriali diferiți. Setul și numărul genelor lor din ADN-ul mitocondrial, pentru care secvența de nucleotide este complet determinată, variază foarte mult între diferitele specii de animale, plante, ciuperci și protozoare. Cel mai mare număr de gene a fost găsit în genomul mitocondrial al protozoarelor flagelate Rectinomonas americana- 97 de gene, inclusiv toate genele care codifică proteine găsite în mtADN-ul altor organisme. La majoritatea animalelor superioare, genomul mitocondrial conține 37 de gene: 13 pentru proteinele lanțului respirator, 22 pentru ARNt și două pentru ARNr (pentru subunitatea ribozomală mare 16S ARNr și pentru ARNr mic 12S). La plante și protozoare, spre deosebire de animale și de majoritatea ciupercilor, genomul mitocondrial codifică și unele proteine care alcătuiesc ribozomii acestor organite. Enzimele cheie ale sintezei polinucleotidelor șablon, cum ar fi ADN polimeraza (replica ADN mitocondrial) și ARN polimeraza (transcrie genomul mitocondrial), sunt criptate în nucleu și sintetizate pe ribozomi din citoplasmă. Acest fapt indică relativitatea autonomiei mitocondriale în ierarhia complexă a celulei eucariote.
Genoamele mitocondriale ale diferitelor specii diferă nu numai prin setul de gene, ordinea locației și exprimării lor, ci și prin dimensiunea și forma ADN-ului. Marea majoritate a genomilor mitocondriali descriși astăzi sunt molecule circulare de ADN dublu catenar supraînrolate. La unele plante, alături de forme circulare, există și cele liniare, iar la unele protozoare, precum ciliați, în mitocondrii se găsește doar ADN liniar.
De obicei, fiecare mitocondrie conține mai multe copii ale genomului său. Astfel, în celulele hepatice umane există aproximativ 2 mii de mitocondrii și fiecare dintre ele conține 10 genomi identici. În fibroblastele de șoarece există 500 de mitocondrii care conțin doi genomi, iar în celulele de drojdie S.cerevisiae- până la 22 de mitocondrii, fiecare având patru genomi.
Genomul mitocondrial al plantelor constă de obicei din mai multe molecule de dimensiuni diferite. Unul dintre ele, „cromozomul principal”, conține majoritatea genelor, iar forme circulare mai mici, care sunt în echilibru dinamic atât între ele, cât și cu cromozomul principal, sunt formate ca urmare a recombinării intra și intermoleculare datorită prezența unor secvențe repetate (Fig. 1).
Fig 1. Schema formării moleculelor circulare de ADN de diferite dimensiuni în mitocondriile plantelor.
Recombinarea are loc de-a lungul regiunilor repetate (indicate cu albastru).
Fig 2. Schema formării oligomerilor ADNmt liniari (A), circulari (B), cu lanț (C).
ori este regiunea în care începe replicarea ADN-ului.
Dimensiunea genomului mitocondrial al diferitelor organisme variază de la mai puțin de 6 mii de perechi de baze în plasmodium falciparum (în plus față de două gene ARNr, conține doar trei gene care codifică proteine) până la sute de mii de perechi de baze în plantele terestre (pentru exemplu, Arabidopsis thaliana din familia cruciferelor 366924 perechi de nucleotide). Mai mult, diferențe de 7-8 ori în dimensiunea ADNmt al plantelor superioare se găsesc chiar și în cadrul aceleiași familii. Lungimea ADNmt la vertebrate diferă ușor: la om - 16569 perechi de nucleotide, la porci - 16350, la delfini - 16330, la broaște cu gheare Xenopus laevis- 17533, la crap - 16400. Acești genomi sunt, de asemenea, similari în localizarea genelor, dintre care majoritatea sunt localizate cap la cap; în unele cazuri chiar se suprapun, de obicei cu o singură nucleotidă, astfel încât ultima nucleotidă a unei gene este prima din următoarea. Spre deosebire de vertebrate, la plante, ciuperci și protozoare, ADNmt conține până la 80% secvențe necodante. Ordinea genelor din genomul mitocondrial diferă între specii.
Concentrația mare de specii reactive de oxigen în mitocondrii și un sistem de reparare slab cresc frecvența mutațiilor ADNmt cu un ordin de mărime în comparație cu ADN-ul nuclear. Radicalii de oxigen provoacă substituții specifice C®T (dezaminarea citozinei) și G®T (leziunea oxidativă a guaninei), ca urmare a cărora mtDNA este posibil bogat în perechi AT. În plus, toate ADNmt au o proprietate interesantă - nu sunt metilate, spre deosebire de ADN-ul nuclear și procariotic. Se știe că metilarea (modificarea chimică temporară a secvenței de nucleotide fără a perturba funcția de codificare a ADN-ului) este unul dintre mecanismele de inactivare programată a genelor.
Replicarea și transcrierea ADN-ului mitocondrial de mamifere
La majoritatea animalelor, lanțurile complementare din ADNmt variază semnificativ în densitatea specifică, deoarece conțin cantități inegale de purine „grele” și nucleotide pirimidinice „ușoare”. Deci se numesc - lanț H (greu - greu) și L (ușor - ușor). La începutul replicării moleculei de ADNmt, se formează o așa-numită buclă D (din limba engleză displacement loop - displacement loop). Această structură, vizibilă la microscop electronic, constă dintr-o regiune dublu catenară și una monocatenară (parte extinsă a lanțului H). Regiunea dublu catenară este formată dintr-o parte a lanțului L și un fragment de ADN nou sintetizat complementar acestuia, lungime de 450-650 de nucleotide (în funcție de tipul de organism), având un primer ribonucleotidic la capătul de 5”, care corespunde până la punctul de plecare al sintezei lanțului H (ori H Sinteza Lanțul L începe doar atunci când lanțul H fiică atinge punctul ori L. Acest lucru se datorează faptului că regiunea de inițiere a replicării L-). lanțul este accesibil enzimelor de sinteză a ADN-ului numai într-o stare monocatenară și, prin urmare, numai într-o dublă helix nerăsucită în timpul sintezei H. Astfel, lanțurile fiice ale ADNmt sunt sintetizate continuu și asincron (Fig. 3).
Fig 3. Schema de replicare a ADNmt de mamifere.
În primul rând, se formează bucla D, apoi se sintetizează catena H fiică,
apoi începe sinteza lanțului L fiice.
În mitocondrii, numărul total de molecule cu o buclă D depășește semnificativ numărul de molecule care se replic complet. Acest lucru se datorează faptului că bucla D are funcții suplimentare - atașarea ADNmt la membrana interioară și inițierea transcripției, deoarece promotorii de transcripție ai ambelor catene de ADN sunt localizați în această regiune.
Spre deosebire de majoritatea genelor eucariote, care sunt transcrise independent una de cealaltă, fiecare dintre catenele de ADNmt de mamifere este transcrisă pentru a forma o singură moleculă de ARN, începând din regiunea ori H, în plus față de aceste două molecule lungi de ARN, complementare cu H- și Lanțurile L, se formează mai multe secțiuni scurte ale lanțului H care încep în același punct și se termină la capătul de 3" al genei ARNr 16S (Fig. 4). Există de 10 ori mai multe astfel de transcrieri scurte decât cele lungi. Ca urmare a maturării (procesării), din ele se formează ARNr-ul 12S și ARNr-ul 16S, implicat în formarea ribozomilor mitocondriali, precum și a ARNt-ului fenilalaninei și valinei, ARNt-urile rămase sunt excizate din transcriptele lungi și se formează ARNm traduși, pentru a ale căror capete de 3" sunt atașate secvențe de poliadenil. Capetele de 5" ale acestor ARNm nu sunt acoperite, ceea ce este neobișnuit pentru eucariote. Îmbinarea nu are loc deoarece niciuna dintre genele mitocondriale de mamifere nu conține introni.
Fig 4. Transcrierea ADNmt uman care conține 37 de gene. Toate transcrierile încep să fie sintetizate în regiunea ori H. ARN-urile ribozomale sunt excizate din transcriptele lungi și scurte ale catenei H. ARNt și ARNm se formează ca rezultat al prelucrării din transcrierile ambelor catene de ADN. Genele ARNt sunt indicate cu verde deschis.Surprize ale genomului mitocondrial
În ciuda faptului că genomul mitocondriilor de mamifere și drojdie conține aproximativ același număr de gene, dimensiunea genomului de drojdie este de 4-5 ori mai mare - aproximativ 80 de mii de perechi de baze. Deși secvențele de codificare ale ADNmt de drojdie sunt foarte omoloage cu secvențele corespunzătoare la om, ARNm-urile de drojdie au, în plus, un lider de 5" și o regiune necodificatoare de 3", la fel ca majoritatea ARNm-urilor nucleare. Un număr de gene conțin și introni. Astfel, gena cutie care codifică citocrom oxidaza b are doi introni. O copie a majorității primului intron este excizată din transcriptul ARN primar în mod autocatalitic (fără participarea vreunei proteine). ARN-ul rămas servește ca șablon pentru formarea enzimei maturaze, care este implicată în splicing. O parte din secvența sa de aminoacizi este codificată în copiile rămase ale intronilor. Maturaza le decupează, distrugându-și propriul ARNm, copiile exonilor sunt cusate împreună și se formează ARNm pentru citocrom oxidaza b (Fig. 5). Descoperirea acestui fenomen ne-a forțat să reconsiderăm ideea de introni ca „secvențe necodificatoare”. 
Fig 5. Procesarea (maturarea) ARNm a citocrom oxidazei b în mitocondriile drojdiei.
În prima etapă de splicing, se formează ARNm, care este utilizat pentru a sintetiza maturază,
necesar pentru a doua etapă de îmbinare.
Când se studiază expresia genelor mitocondriale Trypanosoma brucei a descoperit o abatere surprinzătoare de la una dintre axiomele de bază ale biologiei moleculare, care afirmă că secvența de nucleotide din ARNm se potrivește exact cu cea din regiunile de codificare ale ADN-ului. S-a dovedit că ARNm al uneia dintre subunitățile citocrom c oxidazei este editat, adică. după transcriere, structura sa primară se modifică - se introduc patru uracili. Ca urmare, se formează un nou ARNm, care servește ca șablon pentru sinteza unei subunități suplimentare a enzimei, a cărei secvență de aminoacizi nu are nimic în comun cu secvența codificată de ARNm needitat (vezi tabelul).
Descoperită pentru prima dată în mitocondriile tripanozomilor, editarea ARN-ului este larg răspândită în cloroplaste și mitocondriile plantelor superioare. De asemenea, se găsește în celulele somatice ale mamiferelor, de exemplu, în epiteliul intestinal uman, ARNm al genei apolipoproteinei este editat.
Mitocondriile au prezentat cea mai mare surpriză oamenilor de știință în 1979. Până atunci, se credea că codul genetic este universal și că aceleași tripleți codifică aceiași aminoacizi în bacterii, viruși, ciuperci, plante și animale. Cercetătorul englez Burrell a comparat structura uneia dintre genele mitocondriale de vițel cu secvența de aminoacizi din subunitatea citocrom oxidazei codificată de această genă. S-a dovedit că codul genetic al mitocondriilor la bovine (precum și la om) nu numai că diferă de cel universal, ci este „ideal”, adică. respectă următoarea regulă: „dacă doi codoni au două nucleotide identice, iar a treia nucleotide aparțin aceleiași clase (purină - A, G sau pirimidină - U, C), atunci codifică același aminoacid”. În codul universal există două excepții de la această regulă: tripletul AUA codifică izoleucina și codonul AUG codifică metionina, în timp ce în codul mitocondrial ideal ambele triplete codifică metionina; Tripletul UGG codifică doar triptofanul, iar tripletul UGA codifică un codon stop. În codul universal, ambele abateri privesc aspecte fundamentale ale sintezei proteinelor: codonul AUG este cel inițiator, iar codonul stop UGA oprește sinteza polipeptidei. Codul ideal nu este inerent tuturor mitocondriilor descrise, dar niciuna dintre ele nu are un cod universal. Putem spune că mitocondriile vorbesc diferite limbi, dar niciodată limba nucleului.
După cum sa menționat deja, există 22 de gene ARNt în genomul mitocondrial al vertebratelor. Cum servește un astfel de set incomplet toți cei 60 de codoni pentru aminoacizi (codul ideal de 64 de tripleți are patru codoni stop, codul universal are trei)? Faptul este că în timpul sintezei proteinelor în mitocondrii, interacțiunile codon-anticodon sunt simplificate - două din trei nucleotide anticodon sunt utilizate pentru recunoaștere. Astfel, un ARNt îi recunoaște pe toți cei patru membri ai unei familii de codoni, diferind doar în a treia nucleotidă. De exemplu, ARNt de leucină cu anticodonul GAU se află pe ribozom opus codonilor TsU, TsUC, TsUA și Tsug, asigurând încorporarea fără erori a leucinei în lanțul polipeptidic. Alți doi codoni de leucină, UUA și UUG, sunt recunoscuți de ARNt cu anticodonul AAU. În total, opt molecule diferite de ARNt recunosc opt familii de patru codoni fiecare, iar 14 ARNt recunosc diferite perechi de codoni, fiecare codificând un aminoacid.
Este important ca enzimele aminoacil-ARNt sintetază, responsabile de adăugarea de aminoacizi la ARNt-urile mitocondriale corespunzătoare, să fie codificate în nucleul celulei și sintetizate pe ribozomii reticulului endoplasmatic. Astfel, la vertebrate, toate componentele proteice ale sintezei polipeptidelor mitocondriale sunt criptate în nucleu. În acest caz, sinteza proteinelor în mitocondrii nu este suprimată de cicloheximidă, care blochează activitatea ribozomilor eucarioți, ci este sensibilă la antibioticele eritromicină și cloramfenicol, care inhibă sinteza proteinelor în bacterii. Acest fapt servește drept unul dintre argumentele în favoarea originii mitocondriilor din bacteriile aerobe în timpul formării simbiotice a celulelor eucariote.
Teoria simbiotică a originii mitocondriilor
Ipoteza despre originea mitocondriilor și a plastidelor vegetale din bacteriile endosimbionte intracelulare a fost exprimată de R. Altman încă din 1890. De-a lungul secolului de dezvoltare rapidă a biochimiei, citologiei, geneticii și biologiei moleculare, care a apărut acum o jumătate de secol, ipoteza a a devenit o teorie bazată pe o mare cantitate de material faptic. Esența sa este aceasta: odată cu apariția bacteriilor fotosintetice, oxigenul s-a acumulat în atmosfera Pământului - un produs secundar al metabolismului lor. Pe măsură ce concentrația sa a crescut, viața heterotrofilor anaerobi a devenit mai complicată, iar unii dintre ei au trecut de la fermentația fără oxigen la fosforilarea oxidativă pentru a obține energie. Astfel de heterotrofe aerobi ar putea descompune substanțele organice rezultate din fotosinteză cu o eficiență mai mare decât bacteriile anaerobe. Unii dintre aerobii care trăiesc liber au fost capturați de anaerobi, dar nu „digerați”, ci stocați ca stații energetice, mitocondrii. Mitocondriile nu trebuie privite ca niște sclavi, luați captivi pentru a furniza molecule de ATP celulelor care nu sunt capabile să respire. Sunt mai degrabă „creaturi” care, în Proterozoic, au găsit pentru ei și urmașii lor cele mai bune adăposturi, unde puteau depune cel mai mic efort fără a risca să fie mâncate.
Numeroase fapte vorbesc în favoarea teoriei simbiotice:
- dimensiunile și formele mitocondriilor și ale bacteriilor aerobe care trăiesc liber coincid; ambele conțin molecule circulare de ADN neasociate cu histonele (spre deosebire de ADN-ul nuclear liniar);Există ideea că diferite regate de eucariote au avut strămoși diferiți și endosimbioza bacteriană a apărut în diferite etape ale evoluției organismelor vii. Acest lucru este evidențiat și de diferențele în structura genomurilor mitocondriale ale protozoarelor, ciupercilor, plantelor și animalelor superioare. Dar, în toate cazurile, cea mai mare parte a genelor din promitocondrie a intrat în nucleu, eventual cu ajutorul unor elemente genetice mobile. Atunci când o parte din genomul unuia dintre simbioți este inclusă în genomul altuia, integrarea simbioților devine ireversibilă.În ceea ce privește secvențele de nucleotide, ARN-urile ribozomale și de transfer ale mitocondriilor diferă de cele nucleare, demonstrând în același timp o similitudine surprinzătoare cu molecule similare ale unor eubacterii aerobe gram-negative;
ARN polimerazele mitocondriale, deși codificate în nucleul celulei, sunt inhibate de rifampicină, ca și cele bacteriene, iar ARN polimerazele eucariote sunt insensibile la acest antibiotic;
Sinteza proteinelor în mitocondrii și bacterii este suprimată de aceleași antibiotice care nu afectează ribozomii eucariotelor;
Compoziția lipidică a membranei interioare a mitocondriilor și a plasmalemei bacteriene este similară, dar este foarte diferită de cea a membranei exterioare a mitocondriilor, care este omoloagă cu alte membrane ale celulelor eucariote;
Cristele formate de membrana mitocondrială internă sunt analogii evolutivi ai membranelor mezosomale ale multor procariote;
Există încă organisme care imită forme intermediare pe drumul spre formarea mitocondriilor din bacterii (amiba primitivă Pelomyxa nu are mitocondrii, dar conține întotdeauna bacterii endosimbiotice).
Noul genom poate crea căi metabolice care duc la formarea de produse utile care nu pot fi sintetizate de niciun partener singur. Astfel, sinteza hormonilor steroizi de către celulele cortexului suprarenal este un lanț complex de reacții, dintre care unele apar în mitocondrii, iar altele în reticulul endoplasmatic. Prin captarea genelor promitocondriale, nucleul a reușit să controleze în mod fiabil funcțiile simbiontului. Nucleul codifică toate proteinele și sinteza lipidelor membranei exterioare a mitocondriilor, majoritatea proteinelor matricei și membrana interioară a organitelor. Cel mai important, nucleul codifică enzime pentru replicarea, transcripția și traducerea ADNmt, controlând astfel creșterea și reproducerea mitocondriilor. Rata de creștere a partenerilor de simbioză ar trebui să fie aproximativ aceeași. Dacă gazda crește mai repede, atunci cu fiecare generație numărul de simbioți per individ va scădea și, în cele din urmă, vor apărea descendenți fără mitocondrii. Știm că fiecare celulă a unui organism care se reproduce sexual conține multe mitocondrii care își reproduc ADN-ul între diviziunile gazdei. Acest lucru asigură că fiecare dintre celulele fiice primește cel puțin o copie a genomului mitocondrial.
Moștenirea citoplasmatică
Pe lângă codificarea componentelor cheie ale lanțului respirator și propriul său aparat de sinteză a proteinelor, genomul mitocondrial în unele cazuri este implicat în formarea unor caracteristici morfologice și fiziologice. Aceste trăsături includ sindromul NCS (dungă non-cromozomială, pată de frunze non-cromozomială codificată) și sterilitatea masculină citoplasmatică (CMS), caracteristică unui număr de specii de plante superioare, ceea ce duce la perturbarea dezvoltării normale a polenului. Manifestarea ambelor semne se datorează modificărilor structurii ADNmt. În CMS, rearanjamentele genomilor mitocondriali sunt observate ca rezultat al evenimentelor de recombinare care conduc la deleții, duplicări, inversiuni sau inserții ale anumitor secvențe de nucleotide sau gene întregi. Astfel de modificări pot provoca nu numai deteriorarea genelor existente, ci și apariția de noi gene funcționale.
Moștenirea citoplasmatică, spre deosebire de moștenirea nucleară, nu respectă legile lui Mendel. Acest lucru se datorează faptului că, la animalele și plantele superioare, gameții de diferite sexe conțin cantități disparate de mitocondrii. Deci, într-un ou de șoarece există 90 de mii de mitocondrii, dar într-un spermatozoid sunt doar patru. Este evident că într-un ovul fecundat mitocondriile sunt predominant sau numai de la individul feminin, adică. Moștenirea tuturor genelor mitocondriale este maternă. Analiza genetică a moștenirii citoplasmatice este dificilă din cauza interacțiunilor nuclear-citoplasmatice. În cazul sterilității citoplasmatice masculine, genomul mitocondrial mutant interacționează cu anumite gene nucleare ale căror alele recesive sunt necesare pentru dezvoltarea trăsăturii. Alelele dominante ale acestor gene, atât în stare homo- cât și heterozigotă, restabilesc fertilitatea plantelor, indiferent de starea genomului mitocondrial.
Studiul genomilor mitocondriali, evoluția lor, care urmează legile specifice geneticii populațiilor și relațiile dintre sistemele genetice nucleare și mitocondriale, este necesar pentru înțelegerea organizării ierarhice complexe a celulei eucariote și a organismului în ansamblu.
Anumite mutații ale ADN-ului mitocondrial sau ale genelor nucleare care controlează mitocondriile au fost asociate cu unele boli ereditare și cu îmbătrânirea umană. Se acumulează date despre implicarea defectelor ADNmt în carcinogeneză. Prin urmare, mitocondriile pot fi o țintă pentru chimioterapia cancerului. Există fapte despre interacțiunea strânsă a genomului nuclear și mitocondrial în dezvoltarea unui număr de patologii umane. Deleții multiple de mtDNA au fost găsite la pacienții cu slăbiciune musculară severă, ataxie, surditate și retard mental, moștenite într-o manieră autosomal dominantă. Dimorfismul sexual a fost stabilit în manifestările clinice ale bolii coronariene, care se datorează cel mai probabil efectului matern - moștenirea citoplasmatică. Dezvoltarea terapiei genice dă speranță pentru corectarea defectelor genomilor mitocondriali în viitorul apropiat.
Această lucrare a fost susținută de Fundația Rusă pentru Cercetare de bază. Proiect 01-04-48971.
Autorul îi este recunoscător studentului absolvent M.K Ivanov, care a creat desenele pentru articol.
Literatură
1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Istoria noastră înregistrată în ADN // Natură. 2001. Nr. 6. P.10-18. 2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Genomul mitocondrial. Novosibirsk, 1990. 3. Gvozdev V.A.// Soros. educaţie revistă 1999. Nr. 10. P.11-17. 4. Margelis L. Rolul simbiozei în evoluția celulară. M., 1983. 5. Skulachev V.P.// Soros. educaţie revistă 1998. Nr. 8. P.2-7. 6. Igamberdiev A.U.// Soros. educaţie revistă 2000. Nr. 1. P.32-36.