Mitohondrijska DNK

Mitohondrijska DNK (mtDNK ili mDNK) je DNK koja je locirana mitohondrijama, ćelijskim organelama eukariotskih organizama. One su ćelijske energane koje hemijsku energiju iz hrane pretvaraju u svestrano upotrebljivu formu – adenozintrifosfat (ATP). Mitohondrijske DNK su jedine male molekule DNK u eukariotskim ćelijama. Većina DNK se nalazi u jedru, a kod biljaka u hloroplastima.^[1]^[2]

Kod čovjeka, mitohondrijska DNK je u najmanim hromosomima, sa 37 gena, a sadrži probližno 16.600 baznih pairova. Ljudska mitohondrijska DNK je prvi značajan segment genoma koji je sekvenciran.^[3] DNK sekvenca mtDNK je utvrđena iz velikog broja organizama i pojedinaca (uključujući i neke organizmi koji su izumrli), a usporedba tih DNK predstavlja oslonac filogenetike, time što omogućava rasvjetljavanje evolucijskih veza i odnose između vrsta i biosistematskih kategorija. Također pomaže ispitivanje povezanosti populacija, pa je tako postala važna u bioantropologiji i terenskim biološkim istraživanjima.

Porijeklo

Smatra se da je porijeklo jedarna i mitohondrijske DNK evolucijski odvojeno i da su mtDNK izvedene iz kružnih genoma bakterije, koje su bile zahvaćene ćelijama ranii predaka današnjih eukariota. Ova hipoteza se zove endosimbiotska teorija. Procjenjuje se da svaka mitohondrija sadrži 2-10 mtDNK kopija.^[4] U ćelijama postojećih organizama, ogromna većina mitohondrijskih proteina (kod sisara oko 1.500 različitih ih je kodirano iz nukleusne DNK, ali se smatra da su ogdovarajući geni za neke od njih, prvobitno bili bakterijskog porijekla, s obzirom simbiozom ugrađeni u eukariotska jezdra tokom evolucije.

Mitohondrijsko nasljeđivanje

U većini višećelijskih organizama, potomci nasljeđuju mtDNK od majke. Mehanizmi za to uključuju jednostavni razrjeđivanje (jaje sadrži 100.000 do 1.000.000 mtDNK molekule, a sperma samo 100-1000), degradaciju spermske mtDNK u oplođenom jajetu, i, barem u nekoliko organizama, neuspjeh mtDNK sperme za prodor u jaje. Bez obzira na mehanizam, ovaj jednoroditeljski obrazac nasljeđivanja mtDNK je prisutan kod većine životinja, kao i kod većine biljaka i gljiva.

Nasljeđivanje po ženskoj liniji

Pri spolnom razmnožavanju, mitochondrija se normalno nasljeđuje isključivo od majke. Mitohondrije u sisarskoj spermi se obično razlažu u jajetu, odmah nakon oplodnje. Pritom je većina mitohondriji prisutna u podnožju repa spermatozoida, koji služi za njegovo kretanje. Tokom oplodnje, rep se ponekad izgubi. U 1999. je objavljeno da očinske mitohondrije iz sperme (koje sadrže mtDNK) su označene ubikvitinom da bi bile odzabrane za kasnije uništavanje unutar embriona.^[5] Neke in vitro tehnike oplodnje, osobito ubrizgavanjem sperme u oocite mogu ovo omesti. Činjenica da mladi nasljeđuju mitohondrijsku DNK majke omogućuje [[genealogija|genealoška istraživanja po u tragu ženske loze u daleku prošlost. (Analiza Y- hromosomske DNK, koja se nasljeđuje očinski, primjenjuje se na analogan način, a tako se utvrđuje genealoško stablo po očevoj liniji.) Ovo se postiže na ljudskoj mitohondrijskoj DNK sekvenciranjem jednog ili više u hipervariablnih kontrolnih regija (HVR1 ili HVR2) mitohondrijske DNK, kao genealoški test. HVR1 se sastoji od oko 440 baznih parova. Ovi parovi se zatim u porede sa kontrolnim regionima drugih pojedinaca (bilo određenih ljudi ili subjekata u bazi podataka) kako bi se utvrdila majčinska loza. Najčešće, usporedba se obavlja sa revidiranom Cambridge Reference Sequence. Na taj način je proučena zajednička predačka loza domaćih pasa i vukova, npr.

Koncept of Mitohondrijske Eve je baziran na istom tipu genetičke analize, u pokušaju otkrivanja tragova čovjećanstva do u duboku prošlost.

Kako mtDNK se nije visoko konzerviran i ima brzinom mutacije, to je korisno za proučavanje evolutivni odnosa - filogenija - organizama. Biolozi mogu odrediti, a zatim usporediti mtDNK sekvence između različitih vrsta i koristiti ih za konstrukciju evolucijskog stabla za tih vrsta.

Kako mtDNK se nije visoko konzervirana i ima brže mutacije, to je korisno za proučavanje evolutivnih odnosa – filogeneze – organizama. Tako se mogu odrediti, a zatim usporedite mtDNK sekvence različitih vrsta i dobijeni podaci koristiti u usporedbama za oblikovanje evolucijskog stabla ispitivane vrste.

Nasljeđivanje po muškoj liniji

Postoje evidencije da se mitohondrija kod nekih vrsta (kao što su dagnje) može naslijediti i po očinskoj liniji.^[6]^[7] i povremenih cikada (Magicicada).^[8] Te dokaze podržavaju i rijetki slučajevi nasljeđivanja muških mitohondrija kod nekih sisara, jer je dokumentirano da tekve pojave postoje kod miševa. Takvi podaci su subsekventno odbacivani, ali su slični nalazi dobijeni i kod ovaca. Iako mnogi od tih slučajeva uključuju klonirane embrije, drugi dokumenti o in vivo nasljeđivanju dokazuju ovu pojavu u laboratorijskim uvjetima.

Struktura

U većini višećelijskih organizama mtDNK je organizovana kao kružna, kovalentno zatvorena, dvostruko uvijena molekula DNK. Ali u mnogim jednoćelijskih (npr. cilijata Tetrahymena ili zelena alga Chlamydomonas reinhardtii), a u rijetkim slučajevima i ukod višećelijskih organizama (npr. neke vrste Cnidaria) mtDNK je linearno organizirana. Većina tih linearnih mtDNAs posjeduju telomerazno-nezavisne telomere, tj. krajeve linearne DNK) s različitim modelima replikacije, koje ih čine zanimljivim objektima istraživanja, a mnogi od ovih jednoćelijskih organizama s linearnim mtDNK su poznati patogeni. Za ljudske mitohondrijske DNK (i vjerojatno za metazoa općenito), u svakoj ćeliji ima po oko 100-10 hiljada odvojenih kopija mtDNK (jaja i spermatozoidi su izuzeci). U sisara, svaka dvolančan kružna mtDNK molekula sastoji se od 15,000-17,000 baznih parova. Dvije niti mtDNK razlikuju se po sadržaju njihovih nukleotida. Polulanac bogat guaninom naziva se teški lanac imunoglobulina (ili H-lanac), a onaj bogat citozinom – kao laki lanac (ili L-lanac). Teški lanac kodira 28 gena, a laki 9 gena od ukupno 37 gena. Od njih 37, 13 su za proteine (polipeptidi), 22 su za transfer RNK (tRNK) i dva su za male i velike podjedinačne ribosomske RNK (rRNK). Ovaj obrazac se uočava i kod većine metazoa, iako je u nekim slučajevima jedan ili više od 37 gena odsutan i veličina mtDNK je veća. Čak i veće varijacije u genu mtDNK sadržaja i veličine postoji između gljiva i biljaka, iako se čini da je podskup jedarnih gena koji su prisutni u svim eukariotima (osim rijetkih koji uopće nemaju mitohondrije). Neke vrste biljaka imaju ogromne mtDNK (čak 2.500.000 parova baza po mtDNK molekuli). Međutim, iznenađujuće je da čak i ogromne mtDNK molekule sadrže isti broj i vrste gena kao i povezana postrojenja sa mnogo manje mtDNA molekula-.

Kad je riječ o transkripciji, svaka nit se prepisuje kontinuirano i proizvodi policistronske iRNK molekule za svaki protein koji se kodira odmah nakon završetka prethodnog. Između regija za kodiranje proteina, nalaze se tRNA. Tokom transkripcije, tRNK dobija L-oblik koji biva prepoznat i rasijecan specifičnim enzimima. U principu, sekvence mitohondrijske tRNK se razlikuju od nukleusnih, ali postoje lokusi koji su oblikovani kao tRNK u jedarnim hromosomima, a koji su veoma slične mitohondrijskim tRNK.

Mutacije u mitohondrijskoj tRNK mogu biti odgovorne za neke bolesti, kao što je MELAS sndrom.

Mitohondrijski genom krastavcacucumber (Cucumis sativus) sadrži tri prstenasta hromosoma (dužine 1556, 84 i 45 kilobaza), koje se potpuno ili uveliko autonomno repliciraju.^[9]

Replikacija

Mitohondrijska DNK replicira pomoću DNK polimeraze gama kompleksa koji se sastoji od 140 kDa katalitičke DNK polimeraze kodirane POLG genom i 55 kDa dodatkom podjedinice kodirane POLG2 genom. Tokom embriogeneze, replikacija mtDNK je strogo regulirana iz oplođene jajne ćelije, pri prijemu plantacionog embrija. Za razliku od toga, ćelije unutrašnje ćelijske mase ograničavaju replikaciju mtDNK, dok ne dobiju ćelijski signal za diferencijaciju u različite tipove tkiva. Na stupnju blastocistaAt the, mtDNA replikacija je specifična za ćelije trofektoderma.^[10]

Mutacije

Uključenost mitohondrijske DNK i neke bolesti čovjeka

Svaka mtDNK je posebno osjetljiva na specifičnu reaktivnost kisika generiranog u respiratornom lancu. Iako se mtDNK se pakuje pomoću proteina i ima značajne kapacitete za popravak DNK popravak, te zaštitne funkcije su manje robusna od onih koji postoje na jedarnom DNK. Zato se smatra da doprinose većoj podložnosti mtDNK na oksidativna oštećenja. Ishod mutacije u mtDNK može biti izmjena u kodiranju uputstva za neke proteine^[11] kiji mogu uticati na metabolizam organizma i/ili njegovu adaptacijsku vrijednost (fitness).

Reference

^ Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
^ Mitochondrial DNA: The Eve Gene: http://www.bradshawfoundation.com/journey/eve.html Arhivirano 12. 7. 2013. na Wayback Machine, Bradshaw Foundation
^ Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I.; Rüegg; Morano (1992). "Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues". Biochim Biophys Acta. 183 (2): 553–559. doi:10.1016/0006-291X(92)90517-O. PMID 1550563.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ https://web.archive.org/web/20071219174548/http://www.sciencenews.org/20000101/fob3.asp.
^ Hoeh W. R., Blakley K. H,, Brown W. M.; Blakley; Brown (1991). "Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA". Science. 251 (5000): 1488–1490. doi:10.1126/science.1672472. PMID 1672472.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Penman, D. (23. 8. 2002). "Mitochondria can be inherited from both parents". NewScientist.com. Arhivirano s originala, 11. 10. 2008. Pristupljeno 5. 2. 2008.
^ Fontaine K. M., Cooley J. R., Simon C.; Cooley; Simon (2007). Crusio, Wim (ured.). "Evidence for Paternal Leakage in Hybrid Periodical Cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.)". PLoS One. 9 (9): e892. doi:10.1371/journal.pone.0000892. PMC 1963320. PMID 17849021.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Alverson A. J., Rice D. W., Dickinson S., Barry K., Palmer J. D. (2011): Origins and recombination of the bacterial-sized multichromosomal mitochondrial genome of cucumber. Plant Cell
^ John J. C. Et al. (2010): Mitochondrial DNA transmission, replication and inheritance: a journey from the gamete through the embryo and into offspring and embryonic stem cells. Hum. Reprod., 16 (5): 488–509.
^ Hogan C. M. (2010): Mutation. ed.: Monosson E. and Cleveland C. J.: Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. Washington DC

Također poledajte

[1] Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 978-9958-9344-8-3.

[2] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.

[3] Mitochondrial DNA: The Eve Gene: http://www.bradshawfoundation.com/journey/eve.html Arhivirano 12. 7. 2013. na Wayback Machine, Bradshaw Foundation

[Wiesner-4] Wiesner R. J., Ruegg J. C., Morano I.; Rüegg; Morano (1992). "Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues". Biochim Biophys Acta. 183 (2): 553–559. doi:10.1016/0006-291X(92)90517-O. PMID 1550563.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[5] ttps://web.archive.org/web/20071219174548/http://www.sciencenews.org/20000101/fob3.asp.

[Hoeh-6] Hoeh W. R., Blakley K. H,, Brown W. M.; Blakley; Brown (1991). "Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA". Science. 251 (5000): 1488–1490. doi:10.1126/science.1672472. PMID 1672472.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[Penman-7] Penman, D. (23. 8. 2002). "Mitochondria can be inherited from both parents". NewScientist.com. Arhivirano s originala, 11. 10. 2008. Pristupljeno 5. 2. 2008.

[8] Fontaine K. M., Cooley J. R., Simon C.; Cooley; Simon (2007). Crusio, Wim (ured.). "Evidence for Paternal Leakage in Hybrid Periodical Cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.)". PLoS One. 9 (9): e892. doi:10.1371/journal.pone.0000892. PMC 1963320. PMID 17849021.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[Alverson2011-9] Alverson A. J., Rice D. W., Dickinson S., Barry K., Palmer J. D. (2011): Origins and recombination of the bacterial-sized multichromosomal mitochondrial genome of cucumber. Plant Cell

[10] John J. C. Et al. (2010): Mitochondrial DNA transmission, replication and inheritance: a journey from the gamete through the embryo and into offspring and embryonic stem cells. Hum. Reprod., 16 (5): 488–509.

[11] Hogan C. M. (2010): Mutation. ed.: Monosson E. and Cleveland C. J.: Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. Washington DC

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]