MITOKONDRIYAL DNA: ÖZELLIKLER, IŞLEVLER, KALITIM, HASTALIKLAR - BIYOLOJI - 2025

Mitokondriyal DNA, ökaryotik hücrelerde bu organellere içinde bulunan küçük dairesel bir DNA molekülüdür. Bu küçük genom, mitokondri içindeki çok sınırlı sayıda protein ve amino asidi kodlar. "Mitokondriyal DNA" adının birçok ders kitabında ve bilimsel makalede "mtDNA" veya İngilizce "mtDNA" olarak kısaltılması yaygındır.

Mitokondri, ökaryotik hücreler için gerekli organellerdir, çünkü bunlar şeker şeklinde tüketilen gıdalardan hücrelerin kullanabileceği bir enerji formuna (örneğin ATP) dönüştürmekten sorumludurlar.

Mitokondriyal DNA (Kaynak? Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü, Wikimedia Commons aracılığıyla)

Ökaryotik organizmalardaki tüm hücrelerin içinde en az bir mitokondri vardır. Ancak kalp kası hücreleri ve iskelet kası hücreleri gibi içlerinde yüzlerce mitokondri bulunan hücreler vardır.

Mitokondri, ribozomlar, transfer RNA'lar ve organelin içinden bir aminoasil RNA transferaz-sentetaz ile hücre aparatından bağımsız kendi protein sentez aparatlarına sahiptir; ribozomal RNA, onları barındıran hücreninkinden daha küçük olmasına rağmen.

Böyle bir aparat, bakterilerin protein sentezi aparatına büyük benzerlik gösterir. Dahası, prokaryotlarda olduğu gibi, bu aparat antibiyotiklere aşırı derecede duyarlıdır, ancak ökaryotik hücrelerdeki protein sentezinden çok farklıdır.

"Mitokondri" terimi, 12. yüzyılın sonunda Benda tarafından tanıtıldı ve "endosimbiyoz" teorisi, kökeni hakkında en yaygın kabul gören teoridir. Bu, 1967'de Lynn Margulis tarafından The Journal of Theoretical Biology'de yayınlandı.

"Endosymbiosis" teorisi, mitokondrinin kökenini milyonlarca yıl öncesine yerleştirir. Ökaryotik hücrelerin hücresel bir atasının "yutulduğu" ve bakteriye benzer bir organizmayı metabolizmasına dahil ettiği ve daha sonra şimdi mitokondri olarak bildiğimiz şey haline geldiği teorileştirildi.

karakteristikleri

Memelilerde, genel olarak mitokondriyal DNA'yı içeren genomun tamamı, 15.000 ila 16.000 çift nükleotitten oluşan dairesel bir kromozomda veya aynı şekilde 15 ila 16 Kb (kilobaz) arasında düzenlenir.

Çoğu mitokondrinin içinde mitokondriyal kromozomun birden fazla kopyasını alabilirsiniz. İnsan somatik hücrelerinde (cinsiyet dışı hücreler), mitokondriyal kromozomun en az 100 kopyasını bulmak yaygındır.

Daha yüksek bitkilerde (kapalı tohumlular) mitokondriyal DNA genellikle çok daha büyüktür, örneğin mısır bitkisinde mitokondriyal DNA'nın dairesel kromozomu 570 Kb'ye kadar ölçebilir.

Mitokondriyal DNA, çoğu omurgalı hayvanın somatik hücrelerinin toplam DNA'sının yaklaşık% 1'ini kaplar. Geniş bir çeşitliliğin olduğu bitkilerde gözlemlenenin aksine, hayvanlar aleminde oldukça korunmuş bir DNA'dır.

Memelilerin yumurtaları (dişi cinsiyet hücreleri) gibi bazı "dev" ökaryotik hücrelerde veya birçok mitokondri içeren hücrelerde, mitokondriyal DNA, toplam hücresel DNA'nın 1 / 3'ünü oluşturabilir.

Mitokondriyal DNA, nükleer DNA'dan bazı farklı özelliklere sahiptir: farklı yoğunluk ve guanin-sitozin (GC) ve adenin-timin (AT) baz çiftleri oranına sahiptir.

Mitokondriyal DNA'daki GC baz çifti yoğunluğu 1.68 g / cm3'tür ve içerik% 21'dir; nükleer DNA'da ise bu yoğunluk 1.68 g / cm3 ve içerik yaklaşık% 40'tır.

Özellikleri

Mitokondriyal DNA, mitokondrinin normal işlevi için gerekli olan en az 37 gene sahiptir. Bu 37 kişiden 13'ü oksidatif fosforilasyonda yer alan enzimleri üretme bilgisine sahiptir.

Bu 13 gen, elektron taşıma zincirine ait olan ve mitokondrinin iç zarında bulunan enzim komplekslerinin 13 polipeptit bileşenini kodlar.

Mitokondriyal DNA'nın elektron taşıma zincirine katkıda bulunduğu 13 polipeptide rağmen, 100'den fazla farklı polipeptitten oluşur. Bununla birlikte, bu 13 bileşen, oksidatif fosforilasyon ve elektron taşıma zinciri için gereklidir.

Mitokondriyal DNA şeması (Kaynak: Mikibc ~ commonswiki, Wikimedia Commons aracılığıyla)

Mitokondriyal DNA'dan sentezlenen 13 polipeptid arasında, sitokrom C oksidaz kompleksinin I, II ve III alt birimleri ve organelin iç zarına gömülü ATPase pompalarının VI alt birimi öne çıkmaktadır.

Mitokondriyi oluşturan bileşenlerin geri kalanının sentezi için gerekli bilgi nükleer genler tarafından kodlanır. Bunlar, hücresel proteinlerin geri kalanı gibi sitoplazmada sentezlenir ve daha sonra belirli sinyaller sayesinde mitokondriye aktarılır.

Oksidatif fosforilasyonda, enerji kaynağı olarak tüm hücrelerin kullandığı kimyasal tür olan adenozin trifosfatın (ATP) sentezi veya oluşumu için glikoz gibi oksijen ve şeker atomları kullanılır.

Kalan mitokondriyal genler, mitokondri içinde protein sentezi için gerekli olan transfer RNA'larını (tRNA'lar), ribozomal RNA'ları ve enzim aminoasil-RNA transferaz-sentetaz (tRNA) sentezlemek için talimatlara sahiptir.

miras

Nispeten yakın zamana kadar mitokondriyal DNA'nın yalnızca anne kalıtımı yoluyla, yani anneden doğrudan soy yoluyla aktarıldığı düşünülüyordu.

Bununla birlikte, Shiyu Luo ve meslektaşları tarafından Ocak 2019'da Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) dergisinde yayınlanan bir makale, nadir durumlarda mitokondriyal DNA'nın her iki ebeveynden de miras alınabileceğini buldu. babanın annesi itibariyle.

Bu makalenin yayınlanmasından önce, bilim adamları için Y kromozomunun ve mitokondriyal DNA'nın sırasıyla babadan ve anneden yavrulara bozulmadan miras kaldığı bir gerçekti.

Mitokondriyal genlerin Y kromozomunun genlerinin "bozulmamış" kalıtımı, söz konusu genetik materyalin rekombinasyonla değişikliklere uğramadığını ve yıllar içinde yalnızca kendiliğinden mutasyonlara bağlı olarak değiştiğini, dolayısıyla varyasyonun oldukça düşük olduğunu gösterir. .

Bu nedenle, çoğu popülasyon seferberliği çalışması bu genler temelinde yapılır, çünkü örneğin, genetikçilerin mitokondriyal DNA kullanarak aile ağaçları inşa etmeleri kolaydır.

İnsanlık tarihinin çoğu, mitokondriyal DNA'nın genetik tarihi aracılığıyla yeniden yapılandırılmıştır. Hatta birçok iş evi, yaşayan her insanın atalarıyla olan aile bağını, bu özellikleri inceleyen tekniklerle netleştirmeyi bile teklif ediyor.

kopya

Mitokondriyal DNA replikasyonunun ilk modeli 1972'de Vinograd ve işbirlikçileri tarafından önerildi ve bu model bazı değişikliklerle birlikte hala geçerli. Genel olarak model, iki farklı çoğaltma kaynağında başlayan tek yönlü bir çoğaltmaya dayanmaktadır.

Bilim adamları mitokondriyal kromozomu İngilizce'den "ağır" dan ağır zincir, H veya OH ve İngiliz "hafif" den L veya OL olmak üzere iki farklı zincir halinde sınıflandırırlar. Bunlar tanımlanır ve mitokondriyal kromozom üzerindeki iki atanmamış açık okuma çerçevesinde (URF) bulunur.

Mitokondriyal genomun replikasyonu ağır zincirde (OH) başlar ve hafif zincirin (OL) tam uzunluğu üretilinceye kadar tek yönde devam eder. Daha sonra "mitokondriyal tek sarmallı DNA bağlayıcı proteinler" adı verilen proteinler, "ana" veya "şablon" olarak işlev gören zinciri korumak için eklenir.

Çoğalmanın meydana gelmesinden (replikakozom) sorumlu enzimler ışık bandına (OL) geçer ve mitokondriyal tek sarmallı DNA bağlayıcı proteinlerin bağlanmasını bloke eden bir halka yapısı oluşur.

Bu döngüde mitokondriyal RNA polimeraz bağlanır ve yeni primerin sentezi başlar. Ağır zincir (OH) sentezine geçiş 25 nükleotid sonra gerçekleşir.

Ağır zincire (OH) geçiş anında mitokondriyal RNA polimeraz, replikasyonun başlangıçta başladığı 3 'ucunda mitokondriyal replikatif DNA polimeraz ile değiştirilir.

Son olarak, hem ağır (OH) hem de hafif (OL) her iki zincirin sentezi, iki tam dairesel çift sarmallı (çift sarmallı) DNA molekülü oluşana kadar sürekli olarak ilerler.

İlgili hastalıklar

Mitokondriyal DNA'nın arızalanmasıyla ilgili birçok hastalık vardır. Çoğu, genomun içerdiği diziye veya bilgiye zarar veren mutasyonlardan kaynaklanır.

İlerleyen yaşa göre işitme kaybı

Mitokondriyal DNA genomundaki değişikliklerle doğrudan ilişkili olan en iyi çalışılmış hastalıklardan biri, artan yaşa bağlı işitme kaybıdır.

Bu durum genetik, çevresel ve yaşam tarzı faktörlerinin bir ürünüdür. İnsanlar yaşlandıkça mitokondriyal DNA, silmeler, yer değiştirmeler, inversiyonlar ve daha fazlası gibi zararlı mutasyonları biriktirir.

Mitokondriyal DNA hasarına esas olarak reaktif oksijen türlerinin birikmesi neden olur, bunlar mitokondride enerji üretiminin yan ürünleridir.

Mitokondriyal DNA, bir onarım sistemine sahip olmadığı için özellikle hasara karşı savunmasızdır. Bu nedenle reaktif oksijen türlerinin neden olduğu değişiklikler mitokondriyal DNA'ya zarar verir ve organelin arızalanmasına neden olarak hücre ölümüne neden olur.

İç kulak hücrelerinin yüksek enerji ihtiyacı vardır. Bu talep onları özellikle mitokondriyal DNA hasarına karşı hassas hale getiriyor. Bu hasarlar, iç kulağın işlevini geri döndürülemez bir şekilde değiştirerek tamamen işitme kaybına yol açabilir.

kanserler

Mitokondriyal DNA, özellikle ebeveynlerden miras alınmayan somatik mutasyonlara, mutasyonlara karşı hassastır. Bu tür mutasyonlar, bir insanın hayatı boyunca bazı hücrelerin DNA'sında meydana gelir.

Somatik mutasyonlardan kaynaklanan mitokondriyal DNA değişikliklerini belirli kanser türleri, meme bezlerindeki, kolondaki, midedeki, karaciğerdeki ve böbrekteki tümörler ile ilişkilendirdiğine dair kanıtlar vardır.

Mitokondriyal DNA'daki mutasyonlar, lösemi ve lenfomalar (bağışıklık sistemi hücrelerinin kanseri) gibi kan kanserleri ile de ilişkilendirilmiştir.

Uzmanlar, mitokondriyal DNA'daki somatik mutasyonları, reaktif oksijen türlerinin üretimindeki artışla, mitokondriyal DNA hasarını artıran ve hücre büyümesinde kontrol eksikliği yaratan faktörlerle ilişkilendirir.

Bu mutasyonların hücrelerin kontrolsüz hücre bölünmesini nasıl artırdığı ve kanserli tümörler olarak nasıl geliştikleri hakkında çok az şey bilinmektedir.

Döngüsel kusma sendromu

Çocukluk dönemine özgü bazı döngüsel kusma vakalarının mitokondriyal DNA'daki mutasyonlarla ilişkili olduğuna inanılıyor. Bu mutasyonlar, tekrarlayan mide bulantısı, kusma ve yorgunluk veya uyuşukluk ataklarına neden olur.

Bilim adamları, bu kusma olaylarını, mitokondrinin hasarlı mitokondriyal DNA'ya sahip mitokondrinin kalp atış hızı, kan basıncı ve sindirim gibi işlevleri etkileyerek otonom sinir sisteminin belirli hücrelerini etkileyebileceği gerçeğiyle ilişkilendiriyor.

Bu ilişkilere rağmen, mitokondriyal DNA'daki değişikliklerin tekrarlayan döngüsel kusma sendromu ataklarına nasıl neden olduğu henüz net değil.

Referanslar

1. Clayton, D. (2003). Mitokondriyal DNA replikasyonu: bildiklerimiz. IUBMB ömrü, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Memeli hücrelerinde mitokondriyal DNA replikasyonu: yola genel bakış. Biyokimyada Denemeler, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM ve Wallace, DC (1980). İnsan mitokondriyal DNA'sının maternal kalıtımı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B ve Chen, SM (2019). Lutz-Bonengel ve diğerlerine yanıt: Biparental mtDNA iletiminin nükleer mitokondriyal DNA segmentlerinin sonucu olması olası değildir. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG ve Suomalainen, A. (2019). Bir babanın mitokondrisinin kaderi. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. Ulusal Tıp Kütüphanesi. Genetik ev referansı: genetik koşulları anlama rehberiniz.
7. Shadel, GS ve Clayton, DA (1997). Omurgalılarda mitokondriyal DNA bakımı. Biyokimyanın yıllık incelemesi, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ ve Snustad, DP (2006). Genetiğin ilkeleri. John Wiley & Sons.