Gjenetika mitokondriale e njeriut. Hulumtimi i ADN-së mitokondriale Origjina e ADN-së mitokondriale e popujve

Shembuj të trashëgimisë mitokondriale janë rezistenca ndaj antibiotikëve në qelizat e majave dhe steriliteti seksual mashkullor (mungesa e gameteve mashkullore) në disa bimë, si misri.

Tek njerëzit (me sa duket) ka defekte zhvillimore si shkrirja e ekstremiteteve të poshtme dhe spina bifida.

Trashëgimia centriolare

Shembuj të tipareve të transmetuara përmes centrioles nuk janë vendosur ende.

Në citoplazmën e baktereve, molekulat e vogla rrethore të ADN-së janë të vendosura në mënyrë autonome - plazmidet. Janë izoluar tre lloje të plazmideve.

Plazmide që përmbajnë faktor F (faktori i fertilitetit): F+ (mashkull), F- (femër). Gjatë konjugimit, faktori mund të lëvizë nga një bakter në tjetrin, d.m.th. ndryshimet gjinore.

Plazmidet që përmbajnë faktorin R (faktori i rezistencës) përcaktojnë rezistencën ndaj antibiotikëve. Ata gjithashtu mund të lëvizin nga një bakter në tjetrin.

Plazmidet e kolicinogjenit - kodojnë proteinat që kanë një efekt të dëmshëm tek individët e të njëjtës specie që nuk përmbajnë kolicinogjenë (baktere vrasëse).

Gjenet në bërthamë dhe në citoplazmë ndërveprojnë me njëri-tjetrin. Ato bazohen në forma të njohura të ndërveprimit të gjeneve jo-alelike, siç është epistaza (për shembull, gjenet bërthamore shtypin gjenet citoplazmike).

Ekziston gjithashtu pseudocitoplazmike trashëgimia e shkaktuar nga prania e simbioneve në qeliza - bakteret ose viruset. Kështu, Drosophila ka një racë me ndjeshmëri të shtuar ndaj CO 2.

Qelizat e kësaj race përmbajnë viruse që përcaktojnë këtë veti.

Disa ciliate pantoflash ("vrasës") sekretojnë substanca që kanë një efekt të dëmshëm tek individë të tjerë të së njëjtës specie. Në qelizat e tyre u gjetën baktere.

Ekziston një racë minjsh me një predispozitë trashëgimore ndaj kancerit të gjirit. Transmetimi ndodh nëpërmjet qumështit të gjirit që përmban viruse. Nëse i përjashtojmë pasardhësit nga ushqyerja me këtë qumësht, atëherë nuk do të ketë predispozicion për kancer dhe anasjelltas, nëse pasardhësit e një race të shëndetshme ushqehen me këtë qumësht, atëherë ata do të kenë predispozicion për kancer.

Ndryshueshmëria Ndryshueshmëria -

vetia e organizmave të gjallë për të ndryshuar si informacionin trashëgues të marrë nga prindërit e tyre ashtu edhe procesin e zbatimit të tij gjatë ontogjenezës.

Ekzistojnë tre lloje të ndryshueshmërisë:

fenotipike,

ontogjenetike,

Ndryshueshmëria fenotipike ose modifikuese - ndryshimi i fenotipit në përgjigje të faktorëve mjedisorë. Ky lloj ndryshueshmërie u identifikua nga Charles Darwin dhe u quajt prej tij " të caktuara" Karakteristikat e fituara gjatë ontogjenezës nuk janë të trashëguara. Kufijtë e ndryshueshmërisë së një tipari quhen norma e reagimit. Norma e reagimit është e trashëguar. Mund të jetë i gjerë dhe i ngushtë. (Jepni shembuj.)

Për procesin evolucionar, ndryshueshmëria fenotipike ka një rëndësi të madhe, sepse seleksionimi natyror i individëve në natyrë vazhdon sipas fenotipit.

Ontogjenetike ndryshueshmëria – një ndryshim natyror në gjenotip dhe fenotip gjatë ontogjenezës.

Ndryshimet në fenotipin e trupit të njeriut gjatë rritjes dhe shfaqja e karakteristikave seksuale dytësore janë shembuj të ndryshueshmërisë ontogjenetike.

Kohët e fundit u zbulua një ndryshim i rregullt në gjenotip gjatë ontogjenezës. Vërtetë, ka pak shembuj të tillë të njohur. Kështu, proteinat imunoglobulinike në minj përbëhen nga dy fraksione: V (ndryshueshme) dhe C (konstante). Në embrionet e miut, gjenet që i kodojnë ato ndodhen në një distancë mjaft të madhe nga njëri-tjetri:

Në minjtë e rritur, këto gjene janë të lidhura dhe funksionojnë si një:

Ndryshueshmëria gjenotipike shkaktuar nga një ndryshim në gjenotip. Charles Darwin e quajti këtë lloj ndryshueshmërie " i pasigurt" Kjo është ndryshueshmëri e trashëgueshme (e kaluar përmes trashëgimisë).

Ndryshueshmëria gjenotipike ndahet në dy lloje: kombinuese dhe mutacionale .

Ndryshueshmëria e kombinuar shkaktuar nga rikombinimi i materialit gjenetik ekzistues.

Në natyrë ekzistojnë tre burime të ndryshueshmërisë së kombinuar:

1) divergjenca e pavarur e kromozomeve në mejozë (numri i kombinimeve është

2 n, ku n është numri i kromozomeve në grupin haploid);

2) kryqëzimi (shkëmbimi i rajoneve homologe ndërmjet homologëve

kromozome);

3) kombinim i rastësishëm i kromozomeve gjatë fekondimit.

E gjithë kjo çon në një larmi të madhe të gjenotipeve dhe fenotipeve, të cilat, nga ana tjetër, siguron përshtatshmëri të lartë të specieve.

Në thelb mutacionale ndryshueshmëria qëndron në ristrukturimin e aparatit gjenetik.

Çfarë është ADN-ja mitokondriale?

ADN-ja mitokondriale (mtDNA) është ADN e vendosur në mitokondri, organele qelizore brenda qelizave eukariote që konvertojnë energjinë kimike nga ushqimi në një formë që qelizat mund ta përdorin - adenozinë trifosfat (ATP). ADN-ja mitokondriale është vetëm një pjesë e vogël e ADN-së në një qelizë eukariote; Shumica e ADN-së mund të gjendet në bërthamën e qelizës, në bimë dhe alga dhe në plastide të tilla si kloroplastet.

Tek njerëzit, 16,569 çiftet bazë të ADN-së mitokondriale kodojnë vetëm 37 gjene. ADN-ja mitokondriale e njeriut ishte pjesa e parë e rëndësishme e gjenomit njerëzor që u sekuencua. Në shumicën e specieve, përfshirë njerëzit, mtADNA trashëgohet vetëm nga nëna.

Për shkak se mtDNA e kafshëve evoluon më shpejt se shënuesit gjenetikë bërthamorë, ajo përfaqëson bazën e filogjenetikës dhe biologjisë evolucionare. Kjo është bërë një pikë e rëndësishme në antropologji dhe biogjeografi, pasi lejon që dikush të studiojë marrëdhëniet e ndërsjella të popullsive.

Hipoteza për origjinën e mitokondrive

ADN-ja bërthamore dhe mitokondriale besohet se kanë origjinë të ndryshme evolucionare, me mtDNA që rrjedh nga gjenomet rrethore të baktereve që janë përthithur nga paraardhësit e hershëm të qelizave eukariote moderne. Kjo teori quhet teoria endosimbiotike. Është vlerësuar se çdo mitokondri përmban kopje të 2-10 mtADNA. Në qelizat e organizmave të gjallë, shumica dërrmuese e proteinave të pranishme në mitokondri (që numërojnë rreth 1500 lloje të ndryshme te gjitarët) janë të koduara nga ADN-ja bërthamore, por gjenet për disa, nëse jo shumicën, prej tyre mendohet se janë fillimisht bakteriale dhe që atëherë janë transferuar në bërthamën eukariote gjatë evolucionit.

Arsyet pse mitokondritë mbajnë disa gjene janë diskutuar. Ekzistenca e organeleve që nuk kanë gjenom në disa lloje me origjinë mitokondriale sugjeron që humbja e plotë e gjeneve është e mundur dhe transferimi i gjeneve mitokondriale në bërthamë ka një sërë përparësish. Vështirësia e orientimit të produkteve të proteinave hidrofobike të prodhuara nga distanca në mitokondri është një hipotezë se pse disa gjene mbahen në mtDNA. Ko-lokalizimi për rregullimin redoks është një tjetër teori, duke përmendur dëshirën e kontrollit të lokalizuar të makinerive mitokondriale. Analiza e fundit e një game të gjerë gjenomash mitokondriale sugjeron që të dy këto funksione mund të diktojnë mbajtjen e gjenit mitokondrial.

Ekzaminimi gjenetik i mtADN

Në shumicën e organizmave shumëqelizorë, mtDNA trashëgohet nga nëna (prejardhja e nënës). Mekanizmat për këtë përfshijnë hollimin e thjeshtë (një vezë përmban mesatarisht 200,000 molekula mtDNA, ndërsa sperma e shëndoshë njerëzore përmban mesatarisht 5 molekula), degradimi i mtDNA-së së spermës në traktin riprodhues mashkullor, në vezën e fekonduar dhe, të paktën në një pak organizma, dështim MtADN e spermës depërton në vezë. Cilido qoftë mekanizmi, është trashëgimi unipolare - trashëgimi e mtDNA, e cila ndodh në shumicën e kafshëve, bimëve dhe kërpudhave.

Trashëgimia e nënës

Në riprodhimin seksual, mitokondritë zakonisht trashëgohen ekskluzivisht nga nëna; mitokondritë në spermën e gjitarëve zakonisht shkatërrohen nga veza pas fekondimit. Përveç kësaj, shumica e mitokondrive janë të pranishme në bazën e bishtit të spermës, i cili përdoret për lëvizjen e qelizave të spermës; ndonjëherë bishti humbet gjatë fekondimit. Në vitin 1999, u raportua se mitokondritë e spermës atërore (që përmbajnë mtDNA) shënohen nga ubiquitin për shkatërrim të mëvonshëm brenda embrionit. Disa metoda të fekondimit in vitro, veçanërisht injektimi i spermës në ovocit, mund të ndërhyjnë në këtë.

Fakti që ADN-ja mitokondriale trashëgohet përmes linjës amtare i lejon studiuesit gjenealogjikë të gjurmojnë linjën e nënës shumë larg në kohë. (ADN-ja kromozomale Y trashëgohet në mënyrë patrilineale, përdoret në një mënyrë të ngjashme për të përcaktuar historinë patrilineale.) Kjo zakonisht bëhet në ADN-në mitokondriale të një personi duke renditur rajonin e kontrollit hipervariable (HVR1 ose HVR2) dhe ndonjëherë të gjithë molekulën e ADN-së mitokondriale si një ADN. test gjenealogjik. Për shembull, HVR1 përbëhet nga afërsisht 440 çifte bazash. Këto 440 çifte krahasohen më pas me rajonet e kontrollit të individëve të tjerë (ose individëve ose subjekteve specifike në bazën e të dhënave) për të përcaktuar prejardhjen e nënës. Krahasimi më i zakonshëm është me Sekuencën e Referencës së Rishikuar të Kembrixhit. Vila etj. botoi studime mbi ngjashmërinë matrilineale të qenve shtëpiake dhe ujqërve. Koncepti i Evës Mitokondriale bazohet në të njëjtin lloj analize, përpjekjet për të zbuluar origjinën e njerëzimit, gjurmimet e origjinës prapa në kohë.

mtDNA është shumë e konservuar dhe ritmet e saj relativisht të ngadalta të mutacionit (krahasuar me rajonet e tjera të ADN-së si mikrosatelitët) e bëjnë atë të dobishme për studimin e marrëdhënieve evolucionare - filogjeninë e organizmave. Biologët mund të përcaktojnë dhe më pas të krahasojnë sekuencat e mtADNA-së midis specieve dhe të përdorin krahasimet për të ndërtuar një pemë evolucionare për speciet e studiuara. Megjithatë, për shkak të shkallës së ngadaltë të mutacionit që përjeton, shpesh është e vështirë të dallohen speciet e lidhura ngushtë në çfarëdo mase, kështu që duhen përdorur metoda të tjera të analizës.

Mutacionet e ADN-së mitokondriale

Individët që i nënshtrohen trashëgimisë njëdrejtimëshe dhe pak ose aspak rekombinimit mund të pritet që t'i nënshtrohen ratchit Müllerian, akumulimi i mutacioneve të dëmshme derisa funksionaliteti të humbasë. Popullatat mitokondriale të kafshëve e shmangin këtë akumulim për shkak të një procesi zhvillimi të njohur si bllokimi i mtDNA. Gryka e ngushtë përdor procese stokastike në qelizë për të rritur ndryshueshmërinë qelizë në qelizë në ngarkesën mutant ndërsa organizmi zhvillohet, në mënyrë që një qelizë vezë me një pjesë të mtDNA mutant krijon një embrion në të cilin qeliza të ndryshme kanë ngarkesa të ndryshme mutante. Niveli qelizor më pas mund të synohet për të hequr ato qeliza me mtDNA më mutant, duke rezultuar në stabilizimin ose reduktimin e ngarkesës mutant midis brezave. Mekanizmi që qëndron në themel të ngushticës diskutohet me metastazat e fundit matematikore dhe eksperimentale dhe ofron dëshmi për një kombinim të ndarjes së rastësishme të mtDNA në ndarje qelizore dhe qarkullim të rastësishëm të molekulave të mtDNA brenda qelizës.

Trashëgimia nga babai

Trashëgimia e dyfishtë e njëanshme e mtADN-së vërehet në bivalvë. Në këto specie, femrat kanë vetëm një lloj mtDNA (F), ndërsa meshkujt kanë mtDNA të tipit F në qelizat e tyre somatike, por mtDNA të tipit M (e cila mund të jetë deri në 30% divergjente) në qelizat germinale. Mitokondritë e trashëguara nga nëna janë raportuar gjithashtu në disa insekte si mizat e frutave, bletët dhe cikadat periodike.

Trashëgimia mitokondriale mashkullore u zbulua kohët e fundit në pulat e Plymouth Rock. Provat mbështesin raste të rralla të trashëgimisë mitokondriale mashkullore në disa gjitarë. Në veçanti, ekzistojnë raste të dokumentuara për minjtë, ku mitokondritë e trashëguara nga meshkujt janë refuzuar më pas. Përveç kësaj, është gjetur te delet si dhe te bagëtitë e klonuara. Pasi u gjet në trupin e një burri.

Megjithëse shumë nga këto raste përfshijnë klonimin e embrionit ose refuzimin e mëvonshëm të mitokondrive atërore, të tjera dokumentojnë trashëgiminë dhe qëndrueshmërinë in vivo in vitro.

Dhurimi mitokondrial

IVF, e njohur si dhurimi mitokondrial ose terapia e zëvendësimit mitokondrial (MRT), rezulton në pasardhës që përmbajnë mtDNA nga donatorët femra dhe ADN bërthamore nga nëna dhe babai. Në procedurën e transferimit të boshtit, një bërthamë veze futet në citoplazmën e një veze nga një dhuruese femër, së cilës i është hequr bërthama, por ende përmban mtDNA të dhuruesit femër. Veza e përbërë më pas fekondohet nga sperma e mashkullit. Kjo procedurë përdoret kur një grua me mitokondri me defekte gjenetike dëshiron të prodhojë pasardhës me mitokondri të shëndetshme. Fëmija i parë i njohur që lindi si rezultat i dhurimit mitokondrial ishte një djalë i lindur nga një çift jordanez në Meksikë më 6 prill 2016.

Struktura e ADN-së mitokondriale

Në shumicën e organizmave shumëqelizorë, mtDNA - ose mitogjenoma - organizohet si ADN e rrumbullakët, e mbyllur rrethore, me dy fije. Por në shumë organizma njëqelizorë (për shembull, tetrahymena ose alga e gjelbër Chlamydomonas reinhardtii) dhe në raste të rralla në organizmat shumëqelizorë (për shembull, disa lloje të cnidarëve), mtDNA gjendet si ADN e organizuar në mënyrë lineare. Shumica e këtyre mtDNA lineare zotërojnë telomere të pavarura nga telomeraza (d.m.th., skajet e ADN-së lineare) me mënyra të ndryshme replikimi, të cilat i kanë bërë ato subjekte interesante studimi, pasi shumë prej këtyre organizmave njëqelizorë me mtADN lineare janë patogjenë të njohur.

Për ADN-në mitokondriale njerëzore (dhe ndoshta për metazoanët), 100-10,000 kopje individuale të mtDNA janë zakonisht të pranishme në një qelizë somatike (vezët dhe spermatozoidet janë përjashtim). Tek gjitarët, secila molekulë mtDNA rrethore me dy zinxhirë përbëhet nga 15,000-17,000 çifte bazash. Dy vargjet e mtDNA ndryshojnë në përmbajtjen e tyre të nukleotideve, vargu i pasur me guanide quhet vargu i rëndë (ose vargu H) dhe vargu i pasur me cinozinë quhet zinxhir i lehtë (ose L-vargje). Zinxhiri i rëndë kodon 28 gjene dhe zinxhiri i lehtë kodon 9 gjene, për një total prej 37 gjene. Nga 37 gjenet, 13 janë për proteinat (polipeptidet), 22 janë për transferimin e ARN-së (tRNA) dhe dy janë për nën-njësi të vogla dhe të mëdha të ARN ribozomale (rARN). Mitogjenoma njerëzore përmban gjene të mbivendosur (ATP8 dhe ATP6, dhe ND4L dhe ND4: shih hartën e gjenomit njerëzor të mitokondrive), gjë që është e rrallë në gjenomet e kafshëve. Modeli 37-gjen gjendet gjithashtu në mesin e shumicës së metazoanëve, megjithëse, në disa raste, një ose më shumë nga këto gjene mungojnë dhe diapazoni i madhësive të mtDNA është më i madh. Ndryshim edhe më i madh në përmbajtjen dhe madhësinë e gjeneve të mtDNA ekziston midis kërpudhave dhe bimëve, megjithëse duket se ekziston një nëngrup thelbësor gjenesh që është i pranishëm në të gjithë eukariotët (përveç atyre të paktëve që nuk kanë fare mitokondri). Disa lloje bimore kanë mtDNA të madhe (deri në 2,500,000 çifte bazash për molekulë mtDNA), por çuditërisht, edhe këto mtDNA të mëdha përmbajnë të njëjtin numër dhe lloje gjenesh si bimët e lidhura me mtADNA shumë më të vogël.

Gjenomi mitokondrial i kastravecit (Cucumis Sativus) përbëhet nga tre kromozome rrethore (gjatësia 1556, 84 dhe 45 kb), të cilat janë plotësisht ose kryesisht autonome në lidhje me riprodhimin e tyre.

Gjashtë lloje kryesore të gjenomit gjenden në gjenomet mitokondriale. Këto lloj gjenomesh janë klasifikuar nga "Kolesnikov dhe Gerasimov (2012)" dhe ndryshojnë në mënyra të ndryshme, si gjenomi rrethor kundrejt atij linear, madhësia e gjenomit, prania e introneve ose strukturave të ngjashme me plazmidën dhe nëse materiali gjenetik është një molekulë e veçantë, një koleksion molekulash homogjene ose heterogjene.

Dekodimi i gjenomit të kafshëve

Në qelizat shtazore, ekziston vetëm një lloj gjenomi mitokondrial. Ky gjenom përmban një molekulë rrethore midis 11-28 kbp të materialit gjenetik (tipi 1).

Dekodimi i gjenomit të bimës

Ekzistojnë tre lloje të ndryshme gjenomi që gjenden te bimët dhe kërpudhat. Lloji i parë është një gjenom rrethor që ka introne (tipi 2) që variojnë nga 19 deri në 1000 kbp në gjatësi. Lloji i dytë i gjenomit është një gjenom rrethor (rreth 20-1000 kbp), i cili gjithashtu ka një strukturë plazmide (1kb) (tipi 3). Lloji përfundimtar i gjenomit që mund të gjendet te bimët dhe kërpudhat është gjenomi linear, i përbërë nga molekula homogjene të ADN-së (tipi 5).

Dekodimi i gjenomit protist

Protistët përmbajnë një shumëllojshmëri të gjerë të gjenomeve mitokondriale, të cilat përfshijnë pesë lloje të ndryshme. Lloji 2, tipi 3 dhe tipi 5, të përmendur në gjenomet e bimëve dhe kërpudhave, ekzistojnë gjithashtu në disa protozoa, si dhe në dy lloje unike të gjenomit. E para prej tyre është një koleksion heterogjen i molekulave rrethore të ADN-së (tipi 4), dhe lloji përfundimtar i gjenomit që gjendet tek protistët është një koleksion heterogjen i molekulave lineare (tipi 6). Llojet e gjenomit 4 dhe 6 variojnë nga 1 deri në 200 kb.

Transferimi i gjeneve endosimbiotike, procesi i gjeneve të koduara në gjenomën mitokondriale që bartet kryesisht nga gjenomi i qelizës, ka të ngjarë të shpjegojë pse organizmat më kompleksë, si njerëzit, kanë gjenomë mitokondriale më të vogla se organizmat më të thjeshtë, si protozoarët.

Replikimi i ADN-së mitokondriale

ADN-ja mitokondriale replikohet nga kompleksi gama i ADN polimerazës, i cili përbëhet nga një ADN-polimerazë katalitike 140 kDa e koduar nga gjenit POLG dhe dy nënnjësi ndihmëse 55 kDa të koduara nga gjeni POLG2. Aparati i replikimit formohet nga ADN polimeraza, TWINKLE dhe proteinat SSB mitokondriale. TWINKLE është një helikazë që zbërthen shtrirje të shkurtra të dsDNA në drejtimin 5" deri në 3".

Gjatë embriogjenezës, riprodhimi i mtADN-së rregullohet fort nga ovociti i fekonduar përmes embrionit para implantimit. Duke reduktuar në mënyrë efektive numrin e qelizave në çdo qelizë, mtDNA luan një rol në ngushticën mitokondriale, e cila shfrytëzon ndryshueshmërinë qelizë në qelizë për të përmirësuar trashëgiminë e mutacioneve të dëmshme. Në fazën e blastociteve, fillimi i replikimit të mtDNA është specifik për qelizat troftokoder. Në të kundërt, qelizat e masës së brendshme qelizore kufizojnë riprodhimin e mtADNA derisa të marrin sinjale për t'u diferencuar në lloje të veçanta të qelizave.

Transkriptimi i ADN-së mitokondriale

Në mitokondritë e kafshëve, çdo varg i ADN-së transkriptohet vazhdimisht dhe prodhon një molekulë ARN policistronike. Ekzistojnë tRNA të pranishme midis shumicës (por jo të gjitha) rajoneve koduese të proteinave (shih Hartën e Gjenomit të Mitokondrisë Njerëzore). Gjatë transkriptimit, tARN fiton një formë karakteristike L, e cila njihet dhe ndahet nga enzima specifike. Kur përpunohet ARN mitokondriale, fragmente individuale të mRNA, rRNA dhe tARN çlirohen nga transkripti primar. Kështu, tARN-të e palosura veprojnë si shenja pikësimi të vogla.

Sëmundjet mitokondriale

Koncepti se mtDNA është veçanërisht i ndjeshëm ndaj specieve reaktive të oksigjenit të krijuara nga zinxhiri i frymëmarrjes për shkak të afërsisë së tij mbetet i diskutueshëm. mtADNA nuk grumbullon më shumë bazë oksidative se ADN bërthamore. Është raportuar se të paktën disa lloje të dëmtimit oksidativ të ADN-së riparohen në mënyrë më efikase në mitokondri sesa në bërthamë. mtADNA është e paketuar me proteina që duket se janë po aq mbrojtëse sa proteinat e kromatinës bërthamore. Për më tepër, mitokondritë kanë evoluar një mekanizëm unik që ruan integritetin e mtDNA duke degraduar gjenomet e dëmtuara tepër të ndjekura nga riprodhimi i mtADN-së së paprekur/riparuar. Ky mekanizëm mungon në bërthamë dhe aktivizohet nga disa kopje të mtDNA të pranishme në mitokondri. Rezultati i një mutacioni në mtDNA mund të jetë një ndryshim në udhëzimet e kodimit për disa proteina, të cilat mund të ndikojnë në metabolizmin dhe/ose përshtatshmërinë e organizmit.

Mutacionet e ADN-së mitokondriale mund të çojnë në një sërë sëmundjesh, duke përfshirë intolerancën ndaj ushtrimeve dhe sindromën Kearns-Sayre (KSS), e cila bën që një person të humbasë funksionin e plotë të lëvizjeve të zemrës, syve dhe muskujve. Disa prova sugjerojnë se ato mund të jenë një kontribues i rëndësishëm në procesin e plakjes dhe patologjive të lidhura me moshën. Në mënyrë të veçantë, në kontekstin e sëmundjes, proporcioni i molekulave mutante mtDNA në një qelizë quhet heteroplasm. Shpërndarjet e heteroplazmës brenda dhe ndërmjet qelizave diktojnë fillimin dhe ashpërsinë e sëmundjes dhe ndikohen nga proceset komplekse stokastike brenda qelizës dhe gjatë zhvillimit.

Mutacionet në tRNA mitokondriale mund të jenë përgjegjëse për sëmundje të rënda si sindromat MELAS dhe MERRF.

Mutacionet në gjenet bërthamore që kodojnë proteinat që përdorin mitokondri mund të kontribuojnë gjithashtu në sëmundjet mitokondriale. Këto sëmundje nuk ndjekin modelet e trashëgimisë mitokondriale, por përkundrazi ndjekin modelet Mendeliane të trashëgimisë.

Kohët e fundit, mutacionet në mtDNA janë përdorur për të ndihmuar në diagnostikimin e kancerit të prostatës në pacientët me biopsi negative.

Mekanizmi i plakjes

Edhe pse ideja është e diskutueshme, disa prova sugjerojnë një lidhje midis plakjes dhe mosfunksionimit mitokondrial në gjenom. Në thelb, mutacionet në mtDNA prishin ekuilibrin e kujdesshëm të prodhimit të oksigjenit reaktiv (ROS) dhe prodhimit enzimatik të ROS (nga enzima të tilla si superoksid dismutaza, katalaza, glutathione peroksidaza dhe të tjera). Megjithatë, disa mutacione që rrisin prodhimin e ROS (për shembull, duke reduktuar mbrojtjen antioksiduese) te krimbat rrisin, në vend që të ulin, jetëgjatësinë e tyre. Për më tepër, minjtë e molës së zhveshur, brejtës me madhësinë e minjve, jetojnë afërsisht tetë herë më gjatë se minjtë, pavarësisht se kanë reduktuar mbrojtjen antioksiduese dhe dëmtimin oksidativ të rritur të biomolekulave në krahasim me minjtë.

Në një moment besohej se kishte një lak reagimi pozitiv në punë ("Cikli vicioz"); ndërsa ADN-ja mitokondriale grumbullon dëmtime gjenetike të shkaktuara nga radikalet e lira, mitokondritë humbasin funksionin dhe lëshojnë radikalet e lira në citosol. Zvogëlimi i funksionit mitokondrial redukton efikasitetin e përgjithshëm metabolik. Sidoqoftë, ky koncept u hodh poshtë më në fund kur u demonstrua se minjtë e modifikuar gjenetikisht për të grumbulluar mutacione të mtDNA me një normë të rritur plaken para kohe, por indet e tyre nuk prodhojnë më shumë ROS, siç parashikohet nga hipoteza e "Cikli Vicioz". Duke mbështetur lidhjen midis jetëgjatësisë dhe ADN-së mitokondriale, disa studime kanë gjetur korrelacione midis vetive biokimike të ADN-së mitokondriale dhe jetëgjatësisë së specieve. Hulumtime të gjera janë duke u kryer për të eksploruar më tej këtë lidhje dhe trajtimet kundër plakjes. Aktualisht, terapia gjenetike dhe suplementet nutraceutike janë fusha të njohura të kërkimit të vazhdueshëm. Bjelakovic et al. analizoi rezultatet e 78 studimeve midis 1977 dhe 2012, ku përfshiheshin gjithsej 296,707 pjesëmarrës, dhe arriti në përfundimin se suplementet antioksidante nuk e zvogëlojnë vdekshmërinë nga ndonjë shkak ose nuk e zgjasin jetëgjatësinë, ndërsa disa prej tyre, si beta-karotina, vitamina E dhe më të larta. doza të vitaminës A, në fakt mund të rrisë vdekshmërinë.

Pikat e ndërprerjes së fshirjes shpesh ndodhin brenda ose ngjitur me rajone që shfaqin konformacione jo-kanonike (jo-B), përkatësisht elementë me kapëse flokësh, kryq dhe elementë të ngjashëm me tërfilin. Për më tepër, ka prova se rajonet lakuare të shtrembërimit spirale dhe G-tetradat e gjata janë të përfshira në zbulimin e ngjarjeve të paqëndrueshmërisë. Për më tepër, pikat me densitet më të lartë janë vërejtur vazhdimisht në rajonet me anim GC dhe në afërsi të fragmentit të sekuencës së degjeneruar YMMYMNNMMHM.

Si ndryshon ADN-ja mitokondriale nga ADN-ja bërthamore?

Ndryshe nga ADN-ja bërthamore, e cila trashëgohet nga të dy prindërit dhe në të cilën gjenet riorganizohen përmes procesit të rikombinimit, zakonisht nuk ka ndryshim në mtDNA nga prindi tek pasardhësit. Edhe pse mtDNA gjithashtu rikombinohet, ajo e bën këtë me kopje të vetvetes brenda të njëjtit mitokondri. Për shkak të kësaj, shkalla e mutacionit të mtADN-së së kafshëve është më e lartë se ajo e ADN-së bërthamore. mtDNA është një mjet i fuqishëm për gjurmimin e linjës matriale dhe është përdorur në këtë rol për të gjurmuar prejardhjen e shumë specieve qindra breza më parë.

Shkalla e shpejtë e mutacionit (te kafshët) e bën mtDNA të dobishme për vlerësimin e marrëdhënieve gjenetike të individëve ose grupeve brenda një specieje dhe për identifikimin dhe përcaktimin sasior të filogjenisë (marrëdhënieve evolucionare) midis specieve të ndryshme. Për ta bërë këtë, biologët përcaktojnë dhe më pas krahasojnë sekuencën e mtADNA-së nga individë ose specie të ndryshme. Të dhënat nga krahasimet përdoren për të ndërtuar një rrjet marrëdhëniesh midis sekuencave që ofrojnë një vlerësim të marrëdhënieve midis individëve ose specieve nga të cilat është marrë mtADNA. mtADNA mund të përdoret për të vlerësuar marrëdhëniet midis specieve të lidhura ngushtë dhe specieve të largëta. Për shkak të frekuencës së lartë të mutacioneve të mtDNA-së tek kafshët, kodonet e pozicionit të tretë ndryshojnë relativisht shpejt, dhe në këtë mënyrë japin informacion rreth distancave gjenetike midis individëve ose specieve të lidhura ngushtë. Nga ana tjetër, shkalla e zëvendësimit të proteinave mt është shumë e ulët, kështu që ndryshimet aminoacide grumbullohen ngadalë (me ndryshimet përkatëse të ngadalta në pozicionet e kodonit 1 dhe 2) dhe kështu ato japin informacion për distancat gjenetike të të afërmve të largët. Prandaj, modelet statistikore që marrin parasysh shkallët e zëvendësimit midis pozicioneve të kodonit veçmas, mund të përdoren për të vlerësuar njëkohësisht filogjenitë që përmbajnë specie të afërta dhe të largëta.

Historia e zbulimit të mtDNA

ADN-ja mitokondriale u zbulua në vitet 1960 nga Margit M. K. Nas dhe Silvan Nas duke përdorur mikroskop elektronik si vargje të ndjeshme ndaj ADN-së brenda mitokondrive, dhe nga Ellen Hasbrunner, Hans Tappi dhe Gottfried Schatz nga analizat biokimike në fraksionin mitokondrial shumë të pastruar.

ADN-ja mitokondriale u njoh për herë të parë në 1996 gjatë Tennessee kundër Paul Ware. Në vitin 1998, në çështjen gjyqësore Commonwealth of Pennsylvania kundër Patricia Lynn Rorrer, ADN-ja mitokondriale u pranua në provë për herë të parë në shtetin e Pensilvanisë. Çështja u shfaq në Episodin 55 të Sezonit 5 të Serisë së Rasteve të Gjykatës Ligjore të Dramës së Vërtetë (Sezoni 5).

ADN-ja mitokondriale u njoh për herë të parë në Kaliforni gjatë ndjekjes penale të suksesshme të David Westerfield për rrëmbimin dhe vrasjen e 7-vjeçares Danielle van Dam në San Diego në vitin 2002 dhe është përdorur për të identifikuar njerëzit dhe qentë. Ky ishte testi i parë në SHBA për të zgjidhur ADN-në e qenit.

Bazat e të dhënave mtADNA

Janë krijuar disa baza të dhënash të specializuara për të mbledhur sekuencat e gjenomit mitokondrial dhe informacione të tjera. Megjithëse shumica e tyre fokusohen në të dhënat e sekuencës, disa përfshijnë informacione filogjenetike ose funksionale.

• MitoSatPlant: bazë të dhënash mikrosatelite të viridiplanteve mitokondriale.

• MitoBreak: Baza e të dhënave të pikave të ndërprerjes së ADN-së mitokondriale.

• MitoFish dhe MitoAnnotator: Baza e të dhënave të gjenomit mitokondrial të peshkut. Shih gjithashtu Cawthorn et al.

• MitoZoa 2.0: baza e të dhënave për analizën krahasuese dhe evolucionare të gjenomave mitokondriale (nuk disponohet më)

• InterMitoBase: një bazë të dhënash e shënuar dhe platformë e analizës së ndërveprimit protein-proteinë për mitokondritë njerëzore (përditësuar së fundi në 2010, por ende nuk disponohet)

• Mitomi: baza e të dhënave për gjenomikën krahasuese mitokondriale në metazoan (nuk disponohet më)

• MitoRes: një burim për gjenet mitokondriale të koduara nga bërthama dhe produktet e tyre në metazoan (jo më i përditësuar)

Ekzistojnë disa baza të dhënash të specializuara që raportojnë polimorfizmat dhe mutacionet në ADN-në mitokondriale njerëzore së bashku me vlerësimet e patogjenitetit të tyre.

• MITOMAP: një përmbledhje e polimorfizmave dhe mutacioneve në ADN mitokondriale njerëzore.

• MitImpact: Mbledhja e parashikimeve të patogjenitetit të parashikuar për të gjitha ndryshimet nukleotide që shkaktojnë zëvendësime josinonimike në gjenet e kodimit të proteinave mitokondriale njerëzore.

Pse mitokondritë kanë nevojë për ADN-në e tyre? Edhe pse, pse simbionët nuk duhet të kenë ADN-në e tyre brenda vetes, duke prodhuar gjithçka që u nevojitet aty për aty? Pse atëherë transferoni një pjesë të ADN-së mitokondriale në bërthamën e qelizës, duke krijuar nevojën për të transportuar produkte të gjeneve në mitokondri? Pse mitokondria transmetohet vetëm nga një prind? Si bashkëjetojnë mitokondritë e marra nga nëna me gjenomin e qelizës, të përbërë nga ADN-ja e nënës dhe babait? Sa më shumë që njerëzit mësojnë për mitokondritë, aq më shumë lindin pyetje.

Sidoqoftë, kjo vlen jo vetëm për mitokondritë: në çdo fushë të çdo shkence, zgjerimi i sferës së njohurive çon vetëm në një rritje të sipërfaqes së saj në kontakt me të panjohurën, duke ngritur gjithnjë e më shumë pyetje të reja, përgjigjet e të cilave do ta zgjerojnë atë. sferë me të njëjtin rezultat të parashikueshëm.

Pra, ADN-ja e mitokondrive moderne shpërndahet në një mënyrë shumë të çuditshme: një pjesë e vogël e gjeneve përmbahet drejtpërdrejt në mitokondri në një kromozom rrethor (më saktë, në disa kopje të të njëjtit kromozom në çdo mitokondri), dhe shumica e planet për prodhimin e përbërësve të mitokondrionit ruhen në bërthamën e qelizës. Prandaj, kopjimi i këtyre gjeneve ndodh njëkohësisht me kopjimin e gjenomit të të gjithë organizmit dhe produktet e prodhuara prej tyre udhëtojnë një rrugë të gjatë nga citoplazma e qelizës në mitokondri. Sidoqoftë, kjo është e përshtatshme në shumë mënyra: mitokondri lirohet nga nevoja për të kopjuar të gjitha këto gjene gjatë riprodhimit, për t'i lexuar ato dhe për të ndërtuar proteina dhe përbërës të tjerë, duke u fokusuar në funksionin e tij kryesor të prodhimit të energjisë. Pse, pra, ekziston ende ADN e vogël në mitokondri, mirëmbajtja e së cilës kërkon të gjithë këta mekanizma, pa të cilët mitokondritë mund t'i kushtonin edhe më shumë burime qëllimit kryesor të ekzistencës së tyre?

Në fillim u supozua se ADN-ja e mbetur në mitokondri ishte një atavizëm, një trashëgimi e një pro-mitokondrie të përthithur nga metanogeni, i cili ka një gjenom të plotë bakterial. Në fillim të simbiozës së tyre, pavarësisht ekzistencës në bërthamën e atyre gjeneve mitokondriale ( m-gjenet), të cilat ishin të nevojshme për të mbajtur një mjedis të rehatshëm për pro-mitokondritë brenda metanogjenit (kjo është shkruar në detaje në lidhje me mitokondritë), të njëjtat gjene u ruajtën në secilën prej mitokondrive. Pro-mitokondrioni, në fillim të jetës së tij si simbiont, dukej përafërsisht i njëjtë me bakterin modern në diagramin në të majtë të këtij paragrafi.

Dhe shumë ngadalë, për shkak të mungesës së kërkesës, këto gjene u zhdukën nga kromozomi mitokondrial si rezultat i një sërë mutacionesh. Por bërthama e qelizës grumbulloi gjithnjë e më shumë gjene m, të cilat hynë në citoplazmë nga simbionet e shkatërruar-mitokondritë dhe u integruan në gjenomën e kimerës eukariote. Sapo geni m i sapofutur filloi të lexohej, mekanizmat qelizorë prodhuan produktet e nevojshme për mitokondritë, duke i liruar simbiontet nga krijimi i tyre në mënyrë të pavarur. Kjo do të thotë se analogu mitokondrial i gjenit që kishte kaluar në bërthamë nuk mbahej më në gjendje pune nga seleksionimi natyror dhe u fshi nga mutacionet në të njëjtën mënyrë si të gjithë të mëparshmet. Prandaj, do të ishte logjike të supozohej se së shpejti ato gjene që mbeten ende në mitokondri do të zhvendosen në bërthamë, gjë që do të çojë në përfitime të mëdha energjetike për eukariotët: në fund të fundit, mekanizmat e rëndë për kopjimin, leximin dhe korrigjimin e ADN-së mund të hiqen nga çdo mitokondri, dhe kështu gjithçka që ju nevojitet për të krijuar proteina.

Pasi arritën në këtë përfundim, shkencëtarët llogaritën se sa kohë do të duhej që të gjitha gjenet të migrojnë nga mitokondri në bërthamë përmes lëvizjes natyrore. Dhe doli që ky afat kishte kaluar prej kohësh. Në kohën kur u shfaq qeliza eukariote, mitokondria kishte një gjenom të rregullt bakterial prej disa mijëra gjenesh (shkencëtarët përcaktojnë se si ishte ky gjenom duke studiuar gjenet m të transferuara në bërthamë në organizma të ndryshëm), por tani mitokondritë e të gjitha llojeve të eukarioteve kanë humbur nga 95 në 99.9% të gjeneve të tyre. Askush nuk kishte më shumë se njëqind gjene të mbetura në mitokondritë e tij, por askush nuk kishte as një mitokondri pa gjen. Nëse rastësia do të luante një rol kyç në këtë proces, atëherë të paktën disa specie do të kishin përfunduar tashmë rrugën e transferimit të gjeneve në bërthamë. Por kjo nuk ndodhi dhe mitokondritë e specieve të ndryshme të studiuara deri më tani, të cilat humbasin gjenet e tyre në mënyrë të pavarur nga njëra-tjetra, ruajtën të njëjtin grup të tyre, gjë që tregon drejtpërdrejt nevojën për praninë e këtyre gjeneve të veçanta në mitokondri.

Për më tepër, organelet e tjera të qelizave që prodhojnë energji, kloroplastet, kanë gjithashtu ADN-në e tyre, dhe në të njëjtën mënyrë, kloroplastet e llojeve të ndryshme evoluan paralelisht dhe në mënyrë të pavarur, secila duke mbetur me të njëjtin grup gjenesh.

Kjo do të thotë se të gjitha ato shqetësime të rëndësishme të mbajtjes së gjenomit tuaj në çdo mitokondri qelizore (dhe mesatarisht një qelizë përmban disa qindra!) dhe aparatin e rëndë për kopjimin-korrigjimin-përkthimin e tij (kryesorët, por jo të gjitha! E shihni pjesët në figurën në të majtë ) peshohen nga diçka.

Dhe për momentin ekziston një teori konsistente për këtë "diçka": aftësia për të prodhuar pjesë të caktuara të mitokondrisë direkt brenda saj është e nevojshme për të rregulluar shkallën e frymëmarrjes dhe për të përshtatur proceset që ndodhin në mitokondri me nevojat vazhdimisht në ndryshim të të gjithë organizmin.

Imagjinoni që një prej qindra mitokondrive në një qelizë papritmas i mungojnë elementet e zinxhirit të frymëmarrjes (për më shumë detaje, shihni), ose nuk ka mjaft sintaza ATP në të. Rezulton se është ose i mbingarkuar me ushqim dhe oksigjen dhe nuk mund t'i përpunojë ato shpejt, ose hapësira e saj ndërmembranore po shpërthen me protone që nuk kanë ku të shkojnë - një fatkeqësi e plotë në përgjithësi. Natyrisht, të gjitha këto devijime nga situata ideale e jetës shkaktojnë sinjale të shumta që synojnë nivelizimin e listës së anijes që fundoset.

Këto sinjale nxisin prodhimin e pikërisht atyre pjesëve që mitokondrive i mungojnë për momentin, duke aktivizuar leximin e gjeneve me anë të të cilave ndërtohen proteinat. Sapo mitokondri të ketë mjaft komponentë të zinxhirit të frymëmarrjes ose ATPases, "animi do të nivelohet", sinjalet për nevojën për të ndërtuar pjesë të reja nuk do të vijnë dhe gjenet do të fiken përsëri. Ky është një nga mekanizmat e nevojshëm në thjeshtësinë e tij të vetërregullimit të qelizave, shkelja më e vogël e tij çon në sëmundje serioze apo edhe në mosfunksionim të organizmit.

Le të përpiqemi të përcaktojmë logjikisht se ku duhet të vendosen gjenet e nevojshme për t'iu përgjigjur këtij sinjali shqetësimi. Imagjinoni një situatë ku këto gjene ndodhen në bërthamën e një qelize që përmban disa qindra mitokondri. Në një nga mitokondritë, për shembull, u shfaq një mangësi NADH dehidrogjenazat: enzima e parë e zinxhirit të frymëmarrjes, roli i së cilës është të heqë dy elektrone nga molekula NADH, t'i transferojë ato në enzimën tjetër dhe të pompojë 2-4 protone nëpër membranë.

Në fakt, mangësi të tilla të çdo enzime ndodhin mjaft shpesh, sepse ato periodikisht dështojnë, sasia e ushqimit të konsumuar ndryshon vazhdimisht, nevoja e qelizave për ATP kërcen gjithashtu pas kërcimeve ose zhytjes së organizmit që përmban këtë qelizë. Prandaj, situata është shumë tipike. Dhe kështu mitokondri lëshon një sinjal: "ju duhet të ndërtoni më shumë dehidrogjenazë NADH!", e cila shkon përtej kufijve të saj, kalon përmes citoplazmës në bërthamë, depërton në bërthamë dhe shkakton leximin e gjeneve të nevojshme. Sipas standardeve qelizore, koha e kalimit të këtij sinjali është shumë domethënëse, por është gjithashtu e nevojshme të tërhiqet ARN-ja e ndërtuar e dërguar nga bërthama në citoplazmë, të krijohen proteina duke e përdorur atë dhe t'i dërgojnë ato në mitokondri.

Dhe këtu lind një problem që është shumë më domethënës sesa humbja e kohës shtesë: kur krijohen proteina të specializuara mitokondriale, ato shënohen me një sinjal "dorëzim në mitokondri", por cili? E panjohur. Prandaj, secila prej disa qindra mitokondrive fillon të marrë proteina që nuk i duhen. Qeliza shpenzon burime për prodhimin dhe shpërndarjen e tyre, mitokondritë janë të mbushura me zinxhirë të tepërt të frymëmarrjes (që çojnë në procese joefektive të frymëmarrjes), dhe e vetmja mitokondri që ka nevojë për këto proteina nuk i merr ato në sasi të mjaftueshme, sepse në rastin më të mirë merr një të qindtën. të asaj që prodhohet. Kështu që ajo vazhdon të dërgojë sinjale shqetësimi dhe kaosi vazhdon. Edhe nga ky përshkrim lirik dhe sipërfaqësor i asaj që po ndodh, duket qartë se një qelizë e tillë nuk është e zbatueshme. Dhe se ka gjene që duhet të lexohen dhe të përkthehen drejtpërdrejt në mitokondri për të rregulluar proceset që ndodhin në të, dhe të mos mbështeten në planin për prodhimin e thonjve të nisur nga bërthama e partisë... pra, proteinat e zinxhirit të frymëmarrjes për të gjitha mitokondritë në të njëjtën kohë.

Pasi kontrolluam se çfarë saktësisht u prodhua në mitokondritë e organizmave të ndryshëm që mbetën në mitokondri (dhe për këtë arsye zhvendosën gjenet m në bërthamë në mënyrë të pavarur nga njëri-tjetri), zbuluam se këta ishin pikërisht elementët për ndërtimin e zinxhirëve të frymëmarrjes dhe ATPazës, si si dhe ribozomet (d.m.th., pjesa kryesore e aparatit të transmetimit).

Mund të lexoni më shumë rreth kësaj (dhe më shumë) nga Lane në "Energjia, seksi, vetëvrasja: mitokondria dhe kuptimi i jetës". Epo, thjesht mund të krahasoni diagramin e ADN-së mitokondriale, ku produktet e koduara deshifrohen (në të djathtë të këtij paragrafi), me diagramin e zinxhirit të frymëmarrjes (sipër), në mënyrë që të bëhet e qartë se çfarë saktësisht prodhohet në mitokondri. . Natyrisht, jo çdo proteinë e futur në këtë zinxhir prodhohet në vend, disa prej tyre ndërtohen në citoplazmën e qelizës. Por "spirancat" kryesore në të cilat ngjiten pjesët e tjera krijohen brenda mitokondrive. Kjo ju lejon të prodhoni saktësisht aq enzima sa ju nevojiten, dhe pikërisht aty ku nevojiten.

Se si janë të lidhura mitokondritë me seksin dhe se si gjenomet e ndryshme bashkëjetojnë në një qelizë, do të shkruaj në një nga kapitujt e ardhshëm të kësaj rreshti.

ADN-ja mitokondriale e vendosur në matricë është një molekulë e mbyllur rrethore me dy fije, në qelizat njerëzore me një madhësi prej 16,569 çifte nukleotide, që është afërsisht 10 5 herë më e vogël se ADN-ja e lokalizuar në bërthamë. Në total, ADN-ja mitokondriale kodon 2 rRNA, 22 tRNA dhe 13 nën-njësi të enzimave të zinxhirit të frymëmarrjes, të cilat përbëjnë jo më shumë se gjysmën e proteinave që gjenden në të. Në veçanti, shtatë nën-njësi të sintetazës ATP, tre nën-njësi oksidazë citokrom dhe një nën-njësi ubiquinol-citokrom janë të koduara nën kontrollin e gjenomit mitokondrial. Me-reduktazë. Në këtë rast, të gjitha proteinat përveç një, dy ribozomale dhe gjashtë tRNA transkriptohen nga zinxhiri më i rëndë (i jashtëm) i ADN-së, dhe 14 tARN të tjera dhe një proteinë transkriptohen nga zinxhiri më i lehtë (i brendshëm).

Në këtë sfond, gjenomi mitokondrial i bimëve është shumë më i madh dhe mund të arrijë 370,000 çifte nukleotide, që është afërsisht 20 herë më i madh se gjenomi mitokondrial i njeriut i përshkruar më sipër. Numri i gjeneve këtu është gjithashtu afërsisht 7 herë më i madh, gjë që shoqërohet me shfaqjen në mitokondritë e bimëve të rrugëve shtesë të transportit të elektroneve që nuk lidhen me sintezën e ATP.

ADN-ja mitokondriale përsëritet në interfazë, e cila sinkronizohet pjesërisht me replikimin e ADN-së në bërthamë. Gjatë ciklit qelizor, mitokondritë ndahen në dysh nga shtrëngimi, formimi i të cilave fillon nga një brazdë rrethore në membranën e brendshme mitokondriale. Një studim i hollësishëm i sekuencës nukleotide të gjenomës mitokondriale ka zbuluar se devijimet nga kodi gjenetik universal janë të zakonshme në mitokondritë e kafshëve dhe kërpudhave. Kështu, në mitokondritë njerëzore, kodoni TAT, në vend të izoleucinës në kodin standard, kodon aminoacidin metioninë, kodonet TCT dhe TCC, që zakonisht kodojnë argininën, janë kodon ndalues ​​dhe kodoni AST, i cili është një kodon ndalues ​​në kodi standard, kodon aminoacidin metioninë. Sa për mitokondritë e bimëve, ato me sa duket përdorin një kod gjenetik universal. Një tipar tjetër i mitokondrive është veçantia e njohjes së kodonit tRNA, e cila konsiston në faktin se një molekulë e tillë është e aftë të njohë jo një, por tre ose katër kodone menjëherë. Kjo veçori zvogëlon rëndësinë e nukleotidit të tretë në kodon dhe çon në faktin se mitokondritë kërkojnë më pak shumëllojshmëri të llojeve të tRNA. Në këtë rast, vetëm 22 tRNA të ndryshme rezultojnë të mjaftueshme.

Duke pasur aparatin e tij gjenetik, mitokondri gjithashtu ka sistemin e tij të sintetizimit të proteinave, e veçanta e të cilit në qelizat e kafshëve dhe kërpudhave janë ribozomet shumë të vogla, të karakterizuara nga një koeficient sedimentimi prej 55S, i cili është edhe më i ulët se ai i ribozomeve të viteve '70 të prokariotëve. lloji. Për më tepër, dy ARN-të e mëdha ribozomale janë gjithashtu më të vogla në madhësi sesa te prokariotët, dhe rARN-ja e vogël mungon fare. Në mitokondritë e bimëve, përkundrazi, ribozomet janë më të ngjashme me ato prokariote në madhësi dhe strukturë.

Vetitë dhe funksionet e ADN-së.

ADN, ose acidi deoksiribonukleik, është materiali bazë trashëgues i pranishëm në të gjitha qelizat e trupit dhe kryesisht ndërmjetëson funksionet e qelizave, rritjen, riprodhimin dhe vdekjen. Struktura e ADN-së, e quajtur struktura spirale me dy vargje, u përshkrua për herë të parë nga Watson dhe Crick në 1953.

Që atëherë, u bë përparim i madh në sintezën, renditjen dhe manipulimin e ADN-së. ADN-ja këto ditë mund të virtualizohet ose analizohet për detaje dhe madje mund të futen gjenet për të shkaktuar ndryshime në funksionin dhe strukturën e ADN-së.

Qëllimi kryesor i materialit trashëgues është ruajtja e informacionit trashëgues mbi bazën e të cilit formohet fenotipi. Shumica e karakteristikave dhe vetive të trupit përcaktohen nga sinteza e proteinave që kryejnë funksione të ndryshme Kështu, materiali trashëgues duhet të përmbajë informacion në lidhje me strukturën e molekulave proteinike jashtëzakonisht të ndryshme, specifika e të cilave varet nga përbërja cilësore dhe sasiore e. aminoacidet, si dhe sipas rendit të renditjes së tyre në zinxhirin peptid. Rrjedhimisht, përbërja aminoacide e proteinave duhet të kodohet në molekulat e acidit nukleik.
Në fillim të viteve 50, u sugjerua se ekzistonte një mënyrë për të regjistruar informacionin gjenetik, në të cilin kodimi i aminoacideve individuale në një molekulë proteine ​​duhet të kryhet duke përdorur kombinime të caktuara të katër nukleotideve të ndryshme në molekulën e ADN-së. Për të koduar më shumë se 20 aminoacide, numri i kërkuar i kombinimeve sigurohet vetëm nga një kod treshe, d.m.th., një kod që përfshin tre nukleotide ngjitur. Në këtë rast, numri i kombinimeve të katër bazave azotike në tre është 41 = 64. Supozimi për natyrën e trefishtë të kodit gjenetik më vonë mori konfirmim eksperimental, dhe gjatë periudhës 1961-1964, u zbulua një kod me ndihmën e prej të cilave rendi i aminoacideve shkruhet në molekulat e acidit nukleik peptid.
Nga tavolina 6 tregon se nga 64 treshe, 61 treshe kodojnë një ose një tjetër aminoacid, dhe aminoacidet individuale janë të koduara nga më shumë se një treshe, ose kodon (fenilalaninë, leucinë, valinë, seri, etj.). Disa treshe nuk kodojnë për aminoacidet dhe funksionet e tyre lidhen me përcaktimin e rajonit terminal të molekulës së proteinës.
Leximi i informacionit të regjistruar në një molekulë të acidit nukleik kryhet në mënyrë sekuenciale, bashkë-don nga kodoni, në mënyrë që çdo nukleotid të jetë pjesë e vetëm një treshe.
Studimi i kodit gjenetik në organizmat e gjallë me nivele të ndryshme organizimi ka treguar universalitetin e këtij mekanizmi për regjistrimin e informacionit në natyrën e gjallë.
Kështu, kërkimet nga mesi i shekullit të 20-të zbuluan mekanizmin e regjistrimit të informacionit trashëgues në molekulat e acidit nukleik duke përdorur një kod biologjik, i cili karakterizohet nga vetitë e mëposhtme: a) trefishi - aminoacidet kodohen nga treshe nukleotide - kodone; b) specifika - çdo treshe kodon vetëm një aminoacid specifik; c) universaliteti - në të gjithë organizmat e gjallë kodimi i të njëjtave aminoacide kryhet nga të njëjtat kodone; d) degjenerimi - shumë aminoacide janë të koduara nga më shumë se një treshe; e) jo mbivendosje - informacioni lexohet në mënyrë sekuenciale treshe pas treshe: AAGCTTCAGCCAT.

Përveç regjistrimit dhe ruajtjes së informacionit biologjik, funksioni i materialit trashëgues është riprodhimi dhe transmetimi i tij në një brez të ri në procesin e riprodhimit të qelizave dhe organizmave. Ky funksion i materialit trashëgues kryhet nga molekulat e ADN-së në procesin e riprodhimit të tij, d.m.th., riprodhimi absolutisht i saktë i strukturës, falë zbatimit të parimit të komplementaritetit (shih 2.1).
Së fundi, funksioni i tretë i materialit trashëgues të përfaqësuar nga molekulat e ADN-së është të sigurojë procese specifike gjatë zbatimit të informacionit që përmbahet në të. Ky funksion kryhet me pjesëmarrjen e llojeve të ndryshme të ARN-së, të cilat sigurojnë procesin e përkthimit, d.m.th., montimin e një molekule proteine ​​që ndodh në citoplazmë bazuar në informacionin e marrë nga bërthama (shih 2.4). Gjatë zbatimit të informacionit trashëgues të ruajtur në formën e molekulave të ADN-së në kromozomet e bërthamës, dallohen disa faza.
1. Leximi i informacionit nga një molekulë e ADN-së gjatë sintezës së mARN - transkriptimit, i cili kryhet në njërën nga vargjet e spirales së dyfishtë të zinxhirit ADN-kodogjen sipas parimit të komplementaritetit (shih 2.4).
2. Përgatitja e produktit të transkriptimit për lirim në citoplazmë - maturimi i mARN.
3. Montimi i një zinxhiri peptid të aminoacideve në ribozome bazuar në informacionin e regjistruar në molekulën e mARN-së, me pjesëmarrjen e tARN-ve transportuese - përkthimi (shih 2.4).
4. Formimi i strukturave proteinike dytësore, terciare dhe kuaternare, që korrespondon me formimin e një proteine ​​funksionale (shenjë e thjeshtë).
5. Formimi i një tipari kompleks si rezultat i pjesëmarrjes së disa produkteve gjenike (proteinat enzimë ose proteinat e tjera) në proceset biokimike.

Struktura spirale e dyfishtë e ADN-së, e mbajtur së bashku vetëm nga lidhjet e hidrogjenit, mund të shkatërrohet lehtësisht. Thyerja e lidhjeve hidrogjenore midis vargjeve polinukleotidike të ADN-së mund të kryhet në solucione shumë alkaline (në pH > 12,5) ose me ngrohje. Pas kësaj, fillesat e ADN-së ndahen plotësisht. Ky proces quhet denatyrim ose shkrirja e ADN-së.

Denatyrimi ndryshon disa nga vetitë fizike të ADN-së, siç është dendësia e saj optike. Bazat azotike thithin dritën në rajonin ultravjollcë (me një maksimum afër 260 nm). ADN-ja thith dritën pothuajse 40% më pak se një përzierje e nukleotideve të lira me të njëjtën përbërje. Ky fenomen quhet efekti hipokromik dhe shkaktohet nga bashkëveprimi i bazave kur ato ndodhen në një spirale të dyfishtë.

Çdo devijim nga gjendja e dyvargëshit ndikon në ndryshimin e madhësisë së këtij efekti, d.m.th. dendësia optike zhvendoset drejt vlerës karakteristike të bazave të lira. Kështu, denatyrimi i ADN-së mund të vërehet nga ndryshimet në densitetin e saj optik.

Kur ADN-ja nxehet, temperatura mesatare e diapazonit në të cilin ndahen fijet e ADN-së quhet pika e shkrirjes dhe caktohet T pl. Në zgjidhje T pl zakonisht shtrihet në intervalin 85-95 °C. Kurba e shkrirjes së ADN-së ka gjithmonë të njëjtën formë, por pozicioni i saj në shkallën e temperaturës varet nga përbërja e bazës dhe kushtet e denatyrimit (Fig. 1). Çiftet G-C të lidhura me tre lidhje hidrogjeni janë më refraktare se çiftet A-T që kanë dy lidhje hidrogjeni, kështu që me rritjen e përmbajtjes G-C-nap, vlera T pl rritet. ADN, 40% e përbërë nga G-C (karakteristikë e gjenomit të gjitarëve), denatyrohet në T pl rreth 87 °C, ndërsa ADN-ja që përmban 60% G-C ka T pl
rreth 95 °C.

Temperatura e denatyrimit të ADN-së (përveç përbërjes bazë) ndikohet nga forca jonike e tretësirës. Për më tepër, sa më i lartë të jetë përqendrimi i kationeve monovalente, aq më i lartë është T pl. Vlera T pl gjithashtu ndryshon shumë kur substanca të tilla si formamidi (amidi i acidit formik HCONH2) i shtohen tretësirës së ADN-së, e cila
destabilizon lidhjet hidrogjenore. Prania e tij bën të mundur uljen e T pl, deri në 40 °C.

Procesi i denatyrimit është i kthyeshëm. Fenomeni i restaurimit të strukturës së spirales së dyfishtë bazuar në dy ndarje të vargjeve plotësuese quhet rinaturim i ADN-së. Për të kryer rinatyrimin, si rregull, mjafton të hollohet një zgjidhje e ADN-së së denatyruar.

Rinaturimi përfshin dy sekuenca plotësuese që u ndanë gjatë denatyrimit. Megjithatë, çdo sekuencë plotësuese që është në gjendje të formojë një strukturë me dy fije mund të rigjenerohet. Nëse së bashku. Pjekja e ADN-së një-vargëshe me origjinë nga burime të ndryshme, formimi i një strukture të ADN-së me dy zinxhirë quhet hibridizim.

Informacione të lidhura.

© G.M. Dymshits

Surprizat e gjenomit mitokondrial

G.M. Dymshits

Grigory Moiseevich Dymshits, Doktor i Shkencave Biologjike, Profesor i Departamentit të Biologjisë Molekulare, Universiteti Shtetëror i Novosibirsk, Drejtues i Laboratorit të Strukturës së Gjenomit të Institutit të Citologjisë dhe Gjenetikës, Dega Siberiane e Akademisë së Shkencave Ruse. Bashkëautor dhe redaktor i katër teksteve shkollore për biologjinë e përgjithshme.

Sot, gjenetika mitokondriale njerëzore po zhvillohet intensivisht si në aspektin popullor ashtu edhe në atë mjekësor. Është krijuar një lidhje midis një numri sëmundjesh të rënda trashëgimore dhe defekteve në ADN-në mitokondriale. Ndryshimet gjenetike që lidhen me plakjen janë më të theksuara në mitokondri. Cili është gjenomi mitokondrial që ndryshon te njerëzit dhe kafshët e tjera nga ai i bimëve, kërpudhave dhe protozoarëve në madhësi, formë dhe kapacitet gjenetik? Si funksionon gjenomi mitokondrial dhe si lindi në takson të ndryshëm? Kjo do të diskutohet në artikullin tonë.

Mitokondri quhen stacione energjetike të qelizës. Përveç membranës së jashtme të lëmuar, ata kanë një membranë të brendshme që formon palosje të shumta - cristae. Ato përmbajnë përbërës të integruar të proteinave të zinxhirit të frymëmarrjes - enzima të përfshira në shndërrimin e energjisë së lidhjeve kimike të lëndëve ushqyese të oksiduara në energjinë e molekulave të acidit trifosforik të adenozinës (ATP). Me këtë "monedhë të konvertueshme" qeliza paguan për të gjitha nevojat e saj për energji. Në qelizat e bimëve të gjelbra, përveç mitokondrive, ka edhe stacione të tjera energjetike - kloroplaste. Ata punojnë në "bateri diellore", por gjithashtu formojnë ATP nga ADP dhe fosfati. Ashtu si mitokondritë, kloroplastet - organele që riprodhojnë në mënyrë autonome - gjithashtu kanë dy membrana dhe përmbajnë ADN.

Përveç ADN-së, matrica mitokondriale përmban edhe ribozomet e veta, të cilat ndryshojnë në shumë karakteristika nga ribozomet eukariote të vendosura në membranat e retikulit endoplazmatik. Sidoqoftë, jo më shumë se 5% e të gjitha proteinave të përfshira në përbërjen e tyre formohen në ribozomet e mitokondrive. Shumica e proteinave që përbëjnë komponentët strukturorë dhe funksionalë të mitokondrive janë të koduara nga gjenomi bërthamor, sintetizohen në ribozomet e rrjetës endoplazmatike dhe transportohen përmes kanaleve të tij në vendin e grumbullimit. Kështu, mitokondritë janë rezultat i përpjekjeve të kombinuara të dy gjenomave dhe dy aparateve të transkriptimit dhe përkthimit. Disa enzima nën-njësi të zinxhirit respirator mitokondrial përbëhen nga polipeptide të ndryshme, disa prej të cilave janë të koduara nga gjenomi bërthamor dhe disa nga gjenomi mitokondrial. Për shembull, enzima kryesore e fosforilimit oksidativ, oksidaza citokrom c në maja, përbëhet nga tre nënnjësi të koduara dhe të sintetizuara në mitokondri, dhe katër nënnjësi të koduara në bërthamën e qelizës dhe të sintetizuara në citoplazmë. Shprehja e shumicës së gjeneve mitokondriale kontrollohet nga gjene specifike bërthamore.

Madhësitë dhe format e gjenomave mitokondriale

Deri më sot, janë lexuar më shumë se 100 gjenome të ndryshme mitokondriale. Sekuenca dhe numri i gjeneve të tyre në ADN-në mitokondriale, për të cilat sekuenca nukleotide është plotësisht e përcaktuar, ndryshon shumë midis llojeve të ndryshme të kafshëve, bimëve, kërpudhave dhe protozoarëve. Numri më i madh i gjeneve u gjet në gjenomën mitokondriale të protozoarëve flagjelë Rectinomonas americana- 97 gjene, duke përfshirë të gjitha gjenet koduese të proteinave që gjenden në mtDNA të organizmave të tjerë. Në shumicën e kafshëve më të larta, gjenomi mitokondrial përmban 37 gjene: 13 për proteinat e zinxhirit të frymëmarrjes, 22 për tARN dhe dy për rARN (për nënnjësinë e madhe ribozomale 16S rRNA dhe për 12S rRNA të vogël). Tek bimët dhe protozoarët, ndryshe nga kafshët dhe shumica e kërpudhave, gjenomi mitokondrial kodon gjithashtu disa proteina që përbëjnë ribozomet e këtyre organeleve. Enzimat kryesore të sintezës së polinukleotideve shabllone, të tilla si polimeraza e ADN-së (përsëritja e ADN-së mitokondriale) dhe ARN polimeraza (duke transkriptuar gjenomën mitokondriale), janë të koduara në bërthamë dhe sintetizohen në ribozomet në citoplazmë. Ky fakt tregon relativitetin e autonomisë mitokondriale në hierarkinë komplekse të qelizës eukariote.

Gjenomet mitokondriale të specieve të ndryshme ndryshojnë jo vetëm në grupin e gjeneve, renditjen e vendndodhjes dhe shprehjes së tyre, por në madhësinë dhe formën e ADN-së. Shumica dërrmuese e gjenomave mitokondriale të përshkruara sot janë molekula të ADN-së me dy fije mbështjellëse rrethore. Në disa bimë, së bashku me format rrethore, ka edhe ato lineare, dhe në disa protozoa, siç janë ciliatet, në mitokondri gjendet vetëm ADN lineare.

Në mënyrë tipike, çdo mitokondri përmban disa kopje të gjenomit të saj. Kështu, në qelizat e mëlçisë njerëzore ka rreth 2 mijë mitokondri, dhe secila prej tyre përmban 10 gjenome identike. Në fibroblastet e miut ka 500 mitokondri që përmbajnë dy gjenome, dhe në qelizat e majave S.cerevisiae- deri në 22 mitokondri, secila me katër gjenome.

Gjenomi mitokondrial i bimëve zakonisht përbëhet nga disa molekula me madhësi të ndryshme. Njëri prej tyre, "kromozomi kryesor", përmban shumicën e gjeneve, dhe format më të vogla rrethore, të cilat janë në ekuilibër dinamik si me njëra-tjetrën ashtu edhe me kromozomin kryesor, formohen si rezultat i rikombinimit brenda dhe ndërmolekular për shkak të prania e sekuencave të përsëritura (Fig. 1).

Fig 1. Skema e formimit të molekulave rrethore të ADN-së me madhësi të ndryshme në mitokondritë e bimëve.
Rikombinimi ndodh përgjatë rajoneve të përsëritura (të treguara me blu).

Fig 2. Skema e formimit të oligomerëve mtADN lineare (A), rrethore (B), zinxhirore (C).
ori është rajoni ku fillon replikimi i ADN-së.

Madhësia e gjenomit mitokondrial të organizmave të ndryshëm varion nga më pak se 6 mijë çifte bazash në plazmodiumin falciparum (përveç dy gjeneve rARN, ai përmban vetëm tre gjene që kodojnë proteinat) deri në qindra mijëra çifte bazash në bimët tokësore (për shembull, Arabidopsis thaliana nga familja e kryqëzatave 366924 çifte nukleotide). Për më tepër, ndryshimet 7-8-fish në madhësinë e mtDNA të bimëve më të larta gjenden edhe brenda së njëjtës familje. Gjatësia e mtADN-së së vertebrorëve ndryshon pak: te njerëzit - 16569 çifte nukleotide, te derrat - 16350, te delfinët - 16330, te bretkosat me kthetra Xenopus laevis- 17533, në krapi - 16400. Këto gjenome janë të ngjashme edhe në lokalizimin e gjeneve, shumica e të cilave janë të vendosura nga skaji në skaj; në disa raste ato edhe mbivendosen, zakonisht nga një nukleotid, kështu që nukleotidi i fundit i një gjeni është i pari në tjetrin. Ndryshe nga vertebrorët, te bimët, kërpudhat dhe protozoarët, mtADNA përmban deri në 80% sekuenca jo-koduese. Rendi i gjeneve në gjenomat mitokondriale ndryshon midis specieve.

Përqendrimi i lartë i specieve reaktive të oksigjenit në mitokondri dhe një sistem i dobët riparimi rrisin frekuencën e mutacioneve të mtDNA me një renditje madhësie në krahasim me ADN-në bërthamore. Radikalët e oksigjenit shkaktojnë zëvendësime specifike C®T (deaminimi i citozinës) dhe G®T (dëmtimi oksidativ i guaninës), si rezultat i të cilave mtDNA është ndoshta e pasur me çifte AT. Për më tepër, të gjitha mtDNA kanë një veti interesante - ato nuk janë të metiluara, ndryshe nga ADN-ja bërthamore dhe prokariotike. Dihet se metilimi (modifikimi i përkohshëm kimik i sekuencës nukleotide pa prishur funksionin kodues të ADN-së) është një nga mekanizmat e inaktivizimit të programuar të gjenit.

Replikimi dhe transkriptimi i ADN-së mitokondriale të gjitarëve

Në shumicën e kafshëve, zinxhirët plotësues në mtDNA ndryshojnë ndjeshëm në densitet specifik, pasi ato përmbajnë sasi të pabarabarta të nukleotideve purine "të rënda" dhe pirimidine "të lehta". Pra quhen zinxhir - H (i rëndë - i rëndë) dhe L (i lehtë - i lehtë). Në fillim të replikimit të molekulës mtADNA, formohet një i ashtuquajtur D-loop (nga cikli i zhvendosjes në anglisht - laku i zhvendosjes). Kjo strukturë, e dukshme nën një mikroskop elektronik, përbëhet nga një rajon me dy fije dhe një me një zinxhir (pjesë e zgjatur e zinxhirit H). Regjioni me dy zinxhirë formohet nga një pjesë e zinxhirit L dhe një fragment ADN-je i saposintetizuar plotësues i tij, 450-650 nukleotide të gjata (në varësi të llojit të organizmit), që ka një primer ribonukleotid në skajin 5" që korrespondon. deri në pikën fillestare të sintezës së zinxhirit H (ori H Sinteza). Zinxhiri është i aksesueshëm për enzimat e sintezës së ADN-së vetëm në një gjendje me një zinxhir, dhe për këtë arsye, vetëm në një spirale të dyfishtë të papërdredhur gjatë zinxhirëve të sintezës H Kështu, zinxhirët bijë të mtADN-së sintetizohen vazhdimisht dhe asinkron (Fig. 3).

Fig 3. Skema e riprodhimit të mtDNA të gjitarëve.
Së pari, formohet laku D, pastaj sintetizohet fillesa e bijës H,
atëherë fillon sinteza e zinxhirit L të vajzës.

Në mitokondri, numri i përgjithshëm i molekulave me një lak D e tejkalon ndjeshëm numrin e molekulave që përsëriten plotësisht. Kjo për faktin se laku D ka funksione shtesë - lidhjen e mtADNA në membranën e brendshme dhe fillimin e transkriptimit, pasi promovuesit e transkriptimit të të dy vargjeve të ADN-së janë të lokalizuar në këtë rajon.

Ndryshe nga shumica e gjeneve eukariote, të cilët transkriptohen në mënyrë të pavarur nga njëri-tjetri, secila prej vargjeve mtDNA të gjitarëve transkriptohet për të formuar një molekulë të vetme ARN, duke filluar nga rajoni ori H, përveç këtyre dy molekulave të gjata të ARN-së, komplementare me H- dhe Zinxhirët L, më shumë janë formuar seksione të shkurtra të zinxhirit H që fillojnë në të njëjtën pikë dhe përfundojnë në skajin 3" të gjenit 16S rRNA (Fig. 4). Ka 10 herë më shumë transkripte të tilla të shkurtra se ato të gjata. Si rezultat i maturimit (përpunimit), prej tyre formohet ARN 12S dhe ARNi 16S, e përfshirë në formimin e ribozomeve mitokondriale, si dhe tARN-së së fenilalaninës dhe valinës, tARN-të e mbetura hiqen nga transkriptet e gjata dhe formohen mARN-të e përkthyera. skajet 3" të të cilave janë bashkangjitur sekuencat e poliadenilit. Skajet 5" të këtyre mARN-ve nuk janë të mbuluara, gjë që është e pazakontë për eukariotët. Ndarja nuk ndodh sepse asnjë nga gjenet mitokondriale të gjitarëve nuk përmban introne.

Fig 4. Transkriptimi i mtADN-së njerëzore që përmban 37 gjene. Të gjitha transkriptet fillojnë të sintetizohen në regjionin ori H ARN-të ribozomale hiqen nga transkriptet e vargjeve të gjata dhe të shkurtra. tRNA dhe mRNA formohen si rezultat i përpunimit nga transkriptet e të dy vargjeve të ADN-së. Gjenet e tRNA tregohen me jeshile të hapur.

Përkundër faktit se gjenomet e mitokondrive të gjitarëve dhe majave përmbajnë afërsisht të njëjtin numër gjenesh, madhësia e gjenomit të majave është 4-5 herë më e madhe - rreth 80 mijë çifte bazë. Megjithëse sekuencat koduese të mtADN-së së majave janë shumë homologe me sekuencat përkatëse te njerëzit, mARN-të e majave kanë gjithashtu një drejtues 5" dhe një rajon jokodikues 3", si shumica e mARN-ve bërthamore. Një numër gjenesh përmbajnë gjithashtu introne. Kështu, gjeni i kutisë që kodon citokrom oksidazën b ka dy introne. Një kopje e pjesës më të madhe të intronit të parë hiqet nga transkripti primar i ARN-së në mënyrë autokatalitike (pa pjesëmarrjen e ndonjë proteine). ARN-ja e mbetur shërben si shabllon për formimin e enzimës maturazë, e cila është e përfshirë në bashkimin. Një pjesë e sekuencës së saj të aminoacideve është e koduar në kopjet e mbetura të introneve. Maturaza i pret ato, duke shkatërruar mARN-në e vet, kopjet e ekzoneve janë të qepura së bashku dhe krijohet mARN për citokrom oksidazën b (Fig. 5). Zbulimi i një fenomeni të tillë na detyroi të rishqyrtojmë idenë e introneve si "sekuenca që nuk kodojnë asgjë".

Fig 5. Përpunimi (maturimi) i mRNA i citokrom oksidazës b në mitokondritë e majave.
Në fazën e parë të bashkimit, formohet mRNA, e cila përdoret për sintetizimin e maturazës,
e nevojshme për hapin e dytë të bashkimit.

Gjatë studimit të shprehjes së gjeneve mitokondriale Trypanosoma brucei zbuloi një devijim befasues nga një prej aksiomave bazë të biologjisë molekulare, e cila thotë se sekuenca e nukleotideve në mRNA përputhet saktësisht me atë në rajonet koduese të ADN-së. Doli që mARN-ja e njërës prej nënnjësive të oksidazës së citokromit c është edituar, d.m.th. pas transkriptimit, struktura e tij primare ndryshon - futen katër uracile. Si rezultat, formohet një mARN e re, e cila shërben si shabllon për sintezën e një nën-njësie shtesë të enzimës, sekuenca e aminoacideve të së cilës nuk ka asgjë të përbashkët me sekuencën e koduar nga mARN e pa redaktuar (shih tabelën).

Zbuluar për herë të parë në mitokondritë e tripanozomit, redaktimi i ARN-së është i përhapur në kloroplastet dhe mitokondritë e bimëve më të larta. Gjendet gjithashtu në qelizat somatike të gjitarëve, për shembull, në epitelin e zorrëve të njeriut, modifikohet ARNi-ja e gjenit të apolipoproteinës;

Mitokondria paraqiti surprizën më të madhe për shkencëtarët në vitin 1979. Deri në atë kohë, besohej se kodi gjenetik ishte universal dhe të njëjtat treshe kodojnë të njëjtat aminoacide në bakteret, viruset, kërpudhat, bimët dhe kafshët. Studiuesi anglez Burrell krahasoi strukturën e një prej gjeneve mitokondriale të viçit me sekuencën e aminoacideve në nën-njësinë e oksidazës citokrome të koduar nga ky gjen. Doli se kodi gjenetik i mitokondrive te bagëtia (si dhe te njerëzit) jo vetëm që ndryshon nga ai universal, por është "ideal", d.m.th. i bindet rregullit të mëposhtëm: "nëse dy kodone kanë dy nukleotide identike, dhe nukleotidet e treta i përkasin të njëjtës klasë (purina - A, G ose pirimidina - U, C), atëherë ato kodojnë për të njëjtin aminoacid." Në kodin universal ka dy përjashtime nga ky rregull: tresheja AUA kodon izoleucinën dhe kodoni AUG kodon metioninën, ndërsa në kodin ideal mitokondrial të dyja këto treshe kodojnë metioninën; Tripleta UGG kodon vetëm triptofanin dhe tresheja UGA kodon një kodon ndalues. Në kodin universal, të dy devijimet kanë të bëjnë me aspektet themelore të sintezës së proteinave: kodoni AUG është kodoni inicues dhe kodoni ndalues ​​UGA ndalon sintezën e polipeptidit. Kodi ideal nuk është i natyrshëm në të gjitha mitokondritë e përshkruara, por asnjëra prej tyre nuk ka një kod universal. Mund të themi se mitokondritë flasin gjuhë të ndryshme, por kurrë gjuhën e bërthamës.

Siç është përmendur tashmë, ka 22 gjene tRNA në gjenomën mitokondriale të vertebrorëve. Si i shërben një grup i tillë jo i plotë të gjitha 60 kodonet për aminoacide (kodi ideal i 64 trinjakëve ka katër kodone ndalese, kodi universal ka tre)? Fakti është se gjatë sintezës së proteinave në mitokondri, ndërveprimet kodon-antikodon thjeshtohen - dy nga tre nukleotide antikodon përdoren për njohje. Kështu, një tARN njeh të katër anëtarët e një familje kodoni, që ndryshojnë vetëm në nukleotidin e tretë. Për shembull, tARN e leucinës me antikodonin GAU qëndron në ribozomin përballë kodoneve TsU, TsUC, TsUA dhe Tsug, duke siguruar përfshirjen pa gabime të leucinës në zinxhirin polipeptid. Dy kodone të tjera leucine, UUA dhe UUG, njihen nga tRNA me antikodonin AAU. Në total, tetë molekula të ndryshme tRNA njohin tetë familje me katër kodone secila dhe 14 tRNA njohin çifte të ndryshme kodonesh, secila kodon një aminoacid.

Është e rëndësishme që enzimat e aminoacil-tRNA sintetazës, përgjegjëse për shtimin e aminoacideve në tARN-të përkatëse mitokondriale, të kodohen në bërthamën e qelizës dhe të sintetizohen në ribozomet e rrjetës endoplazmatike. Kështu, te vertebrorët, të gjithë përbërësit e proteinave të sintezës së polipeptideve mitokondriale janë të koduara në bërthamë. Në këtë rast, sinteza e proteinave në mitokondri nuk shtypet nga cikloheksimidi, i cili bllokon punën e ribozomeve eukariote, por është i ndjeshëm ndaj antibiotikëve eritromicinë dhe kloramfenikol, të cilët pengojnë sintezën e proteinave në baktere. Ky fakt shërben si një nga argumentet në favor të origjinës së mitokondrive nga bakteret aerobe gjatë formimit simbiotik të qelizave eukariote.

Teoria simbiotike e origjinës së mitokondrive

Hipoteza për origjinën e mitokondrive dhe plastideve bimore nga bakteret endosimbionte ndërqelizore u shpreh nga R. Altman në vitin 1890. Gjatë shekullit të zhvillimit të shpejtë të biokimisë, citologjisë, gjenetikës dhe biologjisë molekulare, të cilat u shfaqën gjysmë shekulli më parë, hipoteza ka u shndërrua në një teori të bazuar në një sasi të madhe materialesh faktike. Thelbi i tij është ky: me ardhjen e baktereve fotosintetike, oksigjeni akumulohet në atmosferën e Tokës - një nënprodukt i metabolizmit të tyre. Me rritjen e përqendrimit të tij, jeta e heterotrofeve anaerobe u bë më e ndërlikuar dhe disa prej tyre kaluan nga fermentimi pa oksigjen në fosforilimin oksidativ për të marrë energji. Heterotrofe të tillë aerobikë, me efikasitet më të madh se bakteret anaerobe, mund të zbërthejnë substancat organike të formuara si rezultat i fotosintezës. Disa nga aerobet me jetë të lirë u kapën nga anaerobet, por nuk "treten", por u ruajtën si stacione energjie, mitokondri. Mitokondria nuk duhet të shikohet si skllevër, të kapur robër për të furnizuar molekulat ATP në qelizat që nuk janë të afta të marrin frymë. Ata janë më tepër "krijesa" që, në Proterozoik, gjetën për veten dhe pasardhësit e tyre strehimin më të mirë, ku mund të shpenzonin sa më pak përpjekje pa rrezikuar të haheshin.

Fakte të shumta flasin në favor të teorisë simbiotike:

- madhësitë dhe format e mitokondrive dhe baktereve aerobe me jetë të lirë përkojnë; të dyja përmbajnë molekula rrethore të ADN-së që nuk shoqërohen me histone (ndryshe nga ADN lineare bërthamore);

Për sa i përket sekuencave nukleotide, ARN-të ribozomale dhe transferuese të mitokondrive ndryshojnë nga ato bërthamore, ndërsa demonstrojnë ngjashmëri të habitshme me molekula të ngjashme të disa eubaktereve gram-negative aerobe;

ARN polimerazat mitokondriale, edhe pse të koduara në bërthamën e qelizës, frenohen nga rifampicina, si ato bakteriale, dhe polimerazat e ARN eukariote janë të pandjeshme ndaj këtij antibiotiku;

Sinteza e proteinave në mitokondri dhe baktere shtypet nga të njëjtët antibiotikë që nuk ndikojnë në ribozomet e eukarioteve;

Përbërja lipidike e membranës së brendshme të mitokondrive dhe e membranës plazmatike bakteriale është e ngjashme, por është shumë e ndryshme nga ajo e membranës së jashtme të mitokondrive, e cila është homologe me membranat e tjera të qelizave eukariote;

Kristat e formuara nga membrana e brendshme mitokondriale janë analoge evolucionare të membranave mezozomale të shumë prokariotëve;

Ka ende organizma që imitojnë forma të ndërmjetme në rrugën drejt formimit të mitokondrive nga bakteret (ameba primitive Pelomyxa nuk ka mitokondri, por gjithmonë përmban baktere endosimbiotike).

Gjenomi i ri mund të krijojë rrugë metabolike që çojnë në formimin e produkteve të dobishme që nuk mund të sintetizohen vetëm nga asnjëri partner. Kështu, sinteza e hormoneve steroide nga qelizat e korteksit adrenal është një zinxhir kompleks reaksionesh, disa prej të cilave ndodhin në mitokondri, dhe disa në retikulin endoplazmatik. Duke kapur gjenet promitokondriale, bërthama ishte në gjendje të kontrollonte në mënyrë të besueshme funksionet e simbiontit. Në bërthamë, të gjitha proteinat dhe sinteza e lipideve të membranës së jashtme të mitokondrive, shumica e proteinave të matricës dhe membrana e brendshme e organeleve janë të koduara. Më e rëndësishmja, bërthama kodon enzimat për replikimin, transkriptimin dhe përkthimin e mtDNA, duke kontrolluar kështu rritjen dhe riprodhimin e mitokondrive. Shkalla e rritjes së partnerëve të simbiozës duhet të jetë afërsisht e njëjtë. Nëse pritësi rritet më shpejt, atëherë me çdo gjeneratë numri i simbioneve për individ do të ulet dhe, përfundimisht, do të shfaqen pasardhës pa mitokondri. Ne e dimë se çdo qelizë e një organizmi riprodhues seksual përmban shumë mitokondri që përsërisin ADN-në e tyre midis ndarjeve të bujtësit. Kjo siguron që secila prej qelizave bijë të marrë të paktën një kopje të gjenomit mitokondrial.

Trashëgimia citoplazmike

Përveç kodimit të përbërësve kryesorë të zinxhirit të frymëmarrjes dhe aparatit të tij për sintetizimin e proteinave, gjenomi mitokondrial në disa raste është i përfshirë në formimin e disa karakteristikave morfologjike dhe fiziologjike. Këto tipare përfshijnë sindromën NCS (shirit jo-kromozomik, njollat ​​e gjetheve të koduara jo-kromozomale) dhe sterilitetin mashkullor citoplazmatik (CMS), të cilat janë karakteristike për një numër speciesh më të larta bimore, duke çuar në ndërprerje të zhvillimit normal të polenit. Shfaqja e të dy shenjave është për shkak të ndryshimeve në strukturën e mtADN-së. Në CMS, rirregullimet e gjenomave mitokondriale vërehen si rezultat i ngjarjeve të rikombinimit që çojnë në fshirje, dyfishime, inversione ose futje të sekuencave të caktuara nukleotide ose gjeneve të tëra. Ndryshime të tilla mund të shkaktojnë jo vetëm dëmtim të gjeneve ekzistuese, por edhe shfaqjen e gjeneve të reja të punës.

Trashëgimia citoplazmike, ndryshe nga trashëgimia bërthamore, nuk u bindet ligjeve të Mendelit. Kjo është për shkak të faktit se në kafshët dhe bimët më të larta, gametet e gjinive të ndryshme përmbajnë sasi të ndryshme të mitokondrive. Pra, në një vezë miu ka 90 mijë mitokondri, por në një spermë ka vetëm katër. Është e qartë se në një vezë të fekonduar mitokondritë janë kryesisht ose vetëm nga individi femër, d.m.th. Trashëgimia e të gjitha gjeneve mitokondriale është nga nëna. Analiza gjenetike e trashëgimisë citoplazmike është e vështirë për shkak të ndërveprimeve bërthamore-citoplazmike. Në rastin e sterilitetit mashkullor citoplazmatik, gjenomi mitokondrial mutant ndërvepron me disa gjene bërthamore, alelet recesive të të cilave janë të nevojshme për zhvillimin e tiparit. Alelet mbizotëruese të këtyre gjeneve, si në gjendje homo- dhe heterozigote, rivendosin pjellorinë e bimëve, pavarësisht nga gjendja e gjenomit mitokondrial.

Studimi i gjenomave mitokondriale, evolucioni i tyre, i cili ndjek ligjet specifike të gjenetikës së popullsisë dhe marrëdhëniet midis sistemeve gjenetike bërthamore dhe mitokondriale, është i nevojshëm për të kuptuar organizimin kompleks hierarkik të qelizës eukariote dhe të organizmit në tërësi.

Disa mutacione në ADN-në mitokondriale ose në gjenet bërthamore që kontrollojnë mitokondritë lidhen me disa sëmundje trashëgimore dhe plakjen e njeriut. Po grumbullohen të dhëna për përfshirjen e defekteve të mtADN-së në kancerogjenezë. Prandaj, mitokondria mund të jetë një objektiv për kimioterapinë e kancerit. Ekzistojnë fakte për ndërveprimin e ngushtë të gjenomave bërthamore dhe mitokondriale në zhvillimin e një sërë patologjish njerëzore. Fshirje të shumëfishta të mtDNA-së u gjetën në pacientët me dobësi të rëndë të muskujve, ataksi, shurdhim dhe vonesë mendore, të trashëguara në një mënyrë autosomale dominante. Në manifestimet klinike të sëmundjes koronare të zemrës është konstatuar dimorfizëm seksual, i cili ka shumë të ngjarë për shkak të efektit të nënës - trashëgimisë citoplazmike. Zhvillimi i terapisë gjenetike jep shpresë për korrigjimin e defekteve në gjenomet mitokondriale në të ardhmen e parashikueshme.

Kjo punë u mbështet nga Fondacioni Rus për Kërkime Bazë. Projekti 01-04-48971.
Autori është mirënjohës për studentin e diplomuar M.K Ivanov, i cili krijoi vizatimet për artikullin.

Letërsia

1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Historia jonë e regjistruar në ADN // Natyra. 2001. Nr. 6. Fq.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Gjenomi mitokondrial. Novosibirsk, 1990.

3. Gvozdev V.A.// Soros. arsimimi revistë 1999. Nr 10. Fq.11-17.

4. Margelis L. Roli i simbiozës në evolucionin e qelizave. M., 1983.

5. Skulachev V.P.// Soros. arsimimi revistë 1998. Nr. 8. P.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. arsimimi revistë 2000. Nr. 1. Fq.32-36.