Jeadrni gen je gen čija se fizička sekvenca nukleotida DNK nalazi u ćelijskom jedru eukariota. Pojam se koristi za razlikovanje jedarnih gena od gena koji se nalaze u mitohondrijama ili hloroplastima.[1] Velika većina gena kod eukariota je jedarna.

Lokacija jedarnog gena

Endosimbiotska teorija uredi

Mitohondrije i plastidi su evoluirali od slobodnoživućih prokariota u današnje citoplazmatske organele putem endosiendosimbiotske evolucije.[2] Smatra se da su mitohondrije neophodne za postojanje eukariotskog života. Poznate su kao ćelijske elektrane jer obezbeđuju većinu energije ili ATP-a potrebnih ćeliji. Mitohondrijski genom (mtDNK) replicira se odvojeno od genoma domaćina. Ljudska mtDNK kodira 13 proteina, od kojih je većina uključena u oksidativnu fosforilaciju (OXPHOS). Jedarni genom kodira preostale mitohondrijske proteine, koji se zatim transportuju u mitohondrije.[3] Genomi ovih organela postali su daleko manji od genoma njihovih prethodnika koji žive slobodno. To je uglavnom zbog široko rasprostranjenog prijenosa gena s prokariotskih progenitora u jedarni genom, nakon čega slijedi njihova eliminacija iz genoma organela. U evolucijski vremenskim okvirima, kontinuirani ulazak DNK organela u jedro omogućio je nove jedarne gene.[2]

Endosimbiotske interakcije organela uredi

Iako odvojeni jedan od drugog unutar ćelija, jedarni geni i oni mitohondrija i hloroplasta mogu uticati jedni na druge na više načina. Jedarni geni imaju glavnu ulogu u ekspresiji gena hloroplastnih i mitohondrijskih gena.[4] Osim toga, genski proizvodi mitohondrija mogu sami uticati na ekspresiju gena unutar ćelijskog jedra.[5] To se može postići putem metabolita, kao i putem određenih peptida koji se translociraju iz mitohondrija u jedro, gdje mogu uticati na ekspresiju gena.[6][7][8]

Struktura uredi

Eukariotski genomi imaju različite strukture višeg reda hromatina koje su usko upakirane u funkcionalne odnose s ekspresijom gena. Hromatin komprimira genom kako bi se uklopio u ćelijsko jedro, istovremeno osiguravajući da se genu može pristupiti kada je potrebno, kao što je transkripcija gena, replikacija i popravak DNK.[9] Cjelokupna funkcija genoma zasniva se na temeljnom odnosu između jedarne organizacije i mehanizama uključenih u organizaciju genoma, u kojem postoji niz složenih mehanizama i biohemijskih puteva koji mogu uticati na ekspresiju pojedinačnih gena unutar genoma.[9] Preostali mitohondrijski proteini, metabolički enzimi, DNK i RNK-polimeraza, ribosomni protein i regulatorni faktori mtDNK su svi kodirani jedarnim genima. Budući da jedarni geni čine genetičku osnovu svih eukariotskih organizama, sve što bi moglo promijeniti njihov genetički izraz ima direktan utjicaj na ćelijske genotip i fenotipove organizma.[3] Jedro također sadrži niz različitih subjedarnih žarišta poznatih kao jedarna tijela, koji su dinamički kontrolirane strukture koje pomažu brojnim jedarnim procesima da teku efikasnije.[9] Aktivni geni, naprimjer, mogu migrirati iz hromosomskih regija i koncentrirati se u subjedarna žarišta poznata kao tvornice transkripcije.[9]

Sinteza proteina uredi

Većina proteina u ćeliji je proizvod informacijske RNK transkribovane iz jedarnih gena, uključujući većinu proteina organela, koji se proizvode u citoplazmi kao i svi proizvodi jedarnih gena, a zatim se transportuju do organele. Geni u jedru su raspoređeni na linearni način na hromosomima, koji služe kao skela za replikaciju i regulaciju ekspresije gena. Kao takvi, obično su pod strogom kontrolom broja kopija i repliciraju se samo jednom po ćelijskom ciklusu.[10] Jedarne ćelije kao što su trombociti ne posjeduju iedarnu DNK i stoga moraju imati alternativne izvore za RNK koja im je potrebna za stvaranje proteina. Sa 3,3 milijarde baznih parova DNK jedarnog genoma kod ljudi, jedan dobar primjer jedarnog gena je gen za MDH1 ili malat-dehidrogenazu 1. U različitim metaboličkim putevima, uključujući ciklus limunske kiseline, MDH1 je gen za sintezu proteina koji kodira enzim koji katalizuje NAD/NADH zavisnu, reverzibilnu oksidaciju malata u oksaloacetat. Ovaj gen kodira citosolni izozim, koji je uključen u malat-aspartatni šatl, koji omogućava malatu da pređe mitohondrijsku membranu i da se pretvori u oksaloacetat za obavljanje daljnjih ćelijskih funkcija.[11] Ovaj gen među mnogima pokazuje svoju ogromnu svrsishodnu ulogu u cjelokupnoj fiziološkoj funkciji organizma. Iako nejedarni geni mogu postojati u svojoj funkcionalnoj prirodi, uloga jedarnih gena u odgovoru i u koordinaciji s nejedarnim genima je fundamentalna.

Značaj uredi

Mnogi transkripcijski faktori izvedeni iz jedarne elektrane imali su ulogu u ekspresiji respiratornog lanca. Ovi faktori su također mogli doprinijeti regulaciji mitohondrijskih funkcija. Jedarni respiratorni faktor (NRF-1) spaja se sa proteinima koji kodiraju respiratorne gene, sa enzimom koji ograničava brzinu u biosintezi i sa elementima replikacije i transkripcije mitohondrijske DNK, ili mtDNK. Drugi jedarni respiratorni faktor (NRF-2) je neophodan da bi proizvodnja podjedinice citohrom c oksidaze IV (COXIV) i Vb (COXVb) bila maksimizirana.[4]

Proučavanje sekvenci gena u svrhu specijacije i utvrđivanja genetičke sličnosti samo je jedna od mnogih upotreba moderne genetike, a uloga koju oba tipa gena imaju u tom procesu je važna. Iako i jedarni geni i oni unutar endosimbiotskih organela čine genetičku strukturu organizma, postoje različite karakteristike koje se mogu bolje uočiti kada se posmatra jedan u poređenju s drugim. Mitohondrijska DNK je korisna u proučavanju specijacije jer ima tendenciju da bude prva koja će evoluirati u razvoju nove vrste, koja se razlikuje od hromosoma jedarnih gena koji se mogu ispitati i analizirati pojedinačno, svaki dajući svoj potencijalni odgovor za specijaciju relativno nedavno evoluiranog organizma.[12]

Kako su jedarni geni genetička osnova svih eukariotskih organizama, sve što može uticati na njihovu ekspresiju stoga direktno utiče i na karakteristike tog organizma na ćelijskom nivou. Interakcije između gena endosimbiotskih organela poput mitohondrija i hloroplasta samo su neki od mnogih faktora koji mogu djelovati na jedarni genom.

Reference uredi

  1. ^ Griffiths AJ, Gelbart WM, Miller JH, Lewontin RC (1999). "The Nature of Genomes". Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman.
  2. ^ a b Timmis, Jeremy N.; Ayliffe, Michael A.; Huang, Chun Y.; Martin, William (February 2004). "Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes". Nature Reviews Genetics. 5 (2): 123–135. doi:10.1038/nrg1271. ISSN 1471-0056. PMID 14735123. S2CID 2385111.
  3. ^ a b Annesley, Sarah J.; Fisher, Paul R. (2019-07-05). "Mitochondria in Health and Disease". Cells (jezik: engleski). 8 (7): 680. doi:10.3390/cells8070680. ISSN 2073-4409. PMC 6678092. PMID 31284394.
  4. ^ a b Herrin DL, Nickelsen J (2004). "Chloroplast RNA processing and stability". Photosynthesis Research. 82 (3): 301–14. doi:10.1007/s11120-004-2741-8. PMID 16143842. S2CID 37108218.
  5. ^ Ali AT, Boehme L, Carbajosa G, Seitan VC, Small KS, Hodgkinson A (February 2019). "Nuclear genetic regulation of the human mitochondrial transcriptome". eLife. 8. doi:10.7554/eLife.41927. PMC 6420317. PMID 30775970.
  6. ^ Fetterman JL, Ballinger SW (August 2019). "Mitochondrial genetics regulate nuclear gene expression through metabolites". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (32): 15763–15765. doi:10.1073/pnas.1909996116. PMC 6689900. PMID 31308238.
  7. ^ Kim KH, Son JM, Benayoun BA, Lee C (September 2018). "The Mitochondrial-Encoded Peptide MOTS-c Translocates to the Nucleus to Regulate Nuclear Gene Expression in Response to Metabolic Stress". Cell Metabolism. 28 (3): 516–524.e7. doi:10.1016/j.cmet.2018.06.008. PMC 6185997. PMID 29983246.
  8. ^ Mangalhara KC, Shadel GS (September 2018). "A Mitochondrial-Derived Peptide Exercises the Nuclear Option". Cell Metabolism. 28 (3): 330–331. doi:10.1016/j.cmet.2018.08.017. PMID 30184481.
  9. ^ a b c d Van Bortle K, Corces VG (2012). "Nuclear organization and genome function". Annual Review of Cell and Developmental Biology. 28: 163–87. doi:10.1146/annurev-cellbio-101011-155824. PMC 3717390. PMID 22905954.
  10. ^ Griffiths AJ, Gelbart WM, Miller JH, Lewontin RC (1999). "DNA Replication". Modern Genetic Analysis. New York: W. H. Freeman.
  11. ^ Mcalister-Henn, Lee; Curtis Small, W. (1997), Molecular Genetics of Yeast TCA Cycle Isozymes, Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology, 57, Elsevier, str. 317–339, doi:10.1016/s0079-6603(08)60285-8, ISBN 9780125400572, PMID 9175438, pristupljeno 2021-11-18
  12. ^ Moore WS (1995). "Inferring Phylogenies from mtDNA Variation: Mitochondrial-Gene Trees Versus Nuclear-Gene Trees". Evolution. 49 (4): 718–726. doi:10.2307/2410325. JSTOR 2410325. PMID 28565131.