Mitokondria memiliki DNA sendiri. DNA mitokondria. Perbandingan DNA mitokondria Neanderthal dan manusia modern

Secara historis, studi pertama semacam ini dilakukan dengan menggunakan DNA mitokondria. Para ilmuwan mengambil sampel dari penduduk asli Afrika, Asia, Eropa, Amerika, dan dalam sampel yang awalnya kecil ini mereka membandingkan DNA mitokondria dari individu yang berbeda satu sama lain. Mereka menemukan bahwa keragaman DNA mitokondria tertinggi di Afrika. Dan karena diketahui bahwa peristiwa mutasi dapat mengubah jenis DNA mitokondria, dan juga diketahui bagaimana hal itu dapat berubah, maka, oleh karena itu, adalah mungkin untuk mengatakan jenis orang mana yang dapat bermutasi. Dari semua orang yang diuji DNA, orang Afrikalah yang menemukan variabilitas yang jauh lebih besar. Jenis DNA mitokondria di benua lain kurang beragam. Ini berarti orang Afrika memiliki lebih banyak waktu untuk mengumpulkan perubahan ini. Mereka memiliki lebih banyak waktu untuk evolusi biologis, jika di Afrika ditemukan sisa-sisa DNA purba yang bukan merupakan ciri mutasi manusia Eropa.

Dapat dikatakan bahwa ahli genetika yang menggunakan DNA mitokondria berhasil membuktikan asal usul wanita di Afrika. Mereka juga mempelajari kromosom Y. Ternyata pria juga berasal dari Afrika.

Berkat studi DNA mitokondria, dimungkinkan untuk menetapkan tidak hanya bahwa seseorang berasal dari Afrika, tetapi juga untuk menentukan waktu asalnya. Waktu munculnya nenek moyang mitokondria umat manusia ditetapkan melalui studi perbandingan DNA mitokondria simpanse dan manusia modern. Mengetahui tingkat divergensi mutasi - 2-4% per juta tahun - adalah mungkin untuk menentukan waktu pemisahan dua cabang, simpanse dan manusia modern. Ini terjadi sekitar 5 - 7 juta tahun yang lalu. Tingkat divergensi mutasi diasumsikan konstan.

Malam mitokondria

Ketika orang berbicara tentang Hawa mitokondria, mereka tidak bermaksud individu. Mereka berbicara tentang kemunculan melalui evolusi seluruh populasi individu dengan karakteristik serupa. Diyakini bahwa mitokondria Hawa hidup selama periode penurunan tajam dalam jumlah nenek moyang kita, menjadi sekitar sepuluh ribu individu.

Asal usul ras

Mempelajari DNA mitokondria dari populasi yang berbeda, ahli genetika menyarankan bahwa bahkan sebelum meninggalkan Afrika, populasi leluhur dibagi menjadi tiga kelompok, yang memunculkan tiga ras modern - Afrika, Kaukasoid, dan Mongoloid. Diyakini bahwa ini terjadi sekitar 60 - 70 ribu tahun yang lalu.

Perbandingan DNA mitokondria Neanderthal dan manusia modern

Informasi tambahan tentang asal usul manusia diperoleh dengan membandingkan teks genetik DNA mitokondria Neanderthal dan manusia modern. Para ilmuwan mampu membaca teks genetik DNA mitokondria dari sisa-sisa tulang dua Neanderthal. Tulang-tulang Neanderthal pertama ditemukan di Gua Feldhover di Jerman. Beberapa saat kemudian, teks genetik DNA mitokondria anak Neanderthal dibacakan, yang ditemukan di Kaukasus Utara di gua Mezhmayskaya. Ketika membandingkan DNA mitokondria manusia modern dan Neanderthal, ditemukan perbedaan yang sangat besar. Jika kita mengambil bagian DNA, maka dari 370 nukleotida, 27 berbeda.Dan jika kita membandingkan teks genetik orang modern, DNA mitokondrianya, maka hanya delapan nukleotida yang berbeda. Diyakini bahwa Neanderthal dan manusia modern adalah cabang yang sepenuhnya terpisah, evolusi masing-masing tidak tergantung satu sama lain.

Ketika mempelajari perbedaan teks genetik DNA mitokondria Neanderthal dan manusia modern, tanggal pemisahan kedua cabang ini ditetapkan. Ini terjadi sekitar 500 ribu tahun yang lalu, dan sekitar 300 ribu tahun yang lalu perpisahan terakhir mereka terjadi. Diyakini bahwa Neanderthal menetap di Eropa dan Asia dan digantikan oleh manusia modern, yang meninggalkan Afrika 200 ribu tahun kemudian. Dan akhirnya, sekitar 28 - 35 ribu tahun yang lalu, Neanderthal punah. Mengapa ini terjadi, secara umum, belum jelas. Mungkin mereka tidak tahan dengan persaingan dengan tipe orang modern, atau mungkin ada alasan lain untuk ini.

DNA dalam mitokondria diwakili oleh molekul siklik yang tidak membentuk ikatan dengan histon, dalam hal ini mereka menyerupai kromosom bakteri.
Pada manusia, DNA mitokondria mengandung 16,5 ribu bp, itu sepenuhnya diuraikan. Ditemukan bahwa DNA mitokondria dari berbagai objek sangat homogen, perbedaannya hanya terletak pada ukuran intron dan daerah yang tidak ditranskripsi. Semua DNA mitokondria diwakili oleh banyak salinan, dikumpulkan dalam kelompok, kelompok. Jadi, satu mitokondria hati tikus dapat mengandung 1 hingga 50 molekul DNA siklik. Jumlah total DNA mitokondria per sel adalah sekitar satu persen. Sintesis DNA mitokondria tidak terkait dengan sintesis DNA di dalam nukleus. Sama seperti pada bakteri, DNA mitokondria dirakit menjadi zona terpisah - nukleoid, ukurannya berdiameter sekitar 0,4 mikron. Dalam mitokondria panjang, bisa ada 1 sampai 10 nukleoid. Ketika mitokondria panjang membelah, bagian yang mengandung nukleoid dipisahkan darinya (mirip dengan pembelahan biner bakteri). Jumlah DNA dalam nukleoid mitokondria individu dapat bervariasi 10 kali lipat tergantung pada jenis selnya. Ketika mitokondria bergabung, komponen internal mereka dapat dipertukarkan.
rRNA dan ribosom mitokondria sangat berbeda dari yang ada di sitoplasma. Jika ribosom 80-an ditemukan di sitoplasma, maka ribosom mitokondria sel tumbuhan termasuk dalam ribosom 70-an (terdiri dari subunit 30-an dan 50-an, mengandung RNA 16 dan 23s yang merupakan ciri sel prokariotik), dan ribosom yang lebih kecil (sekitar 50-an) ditemukan pada hewan mitokondria sel. Sintesis protein terjadi di mitoplasma pada ribosom. Ini berhenti, berbeda dengan sintesis pada ribosom sitoplasma, di bawah aksi antibiotik kloramfenikol, yang menekan sintesis protein pada bakteri.
Transfer RNA juga disintesis pada genom mitokondria; secara total, 22 tRNA disintesis. Kode triplet dari sistem sintetik mitokondria berbeda dari yang digunakan dalam hyaloplasma. Meskipun kehadiran tampaknya semua komponen yang diperlukan untuk sintesis protein, molekul DNA mitokondria kecil tidak dapat mengkodekan semua protein mitokondria, hanya sebagian kecil dari mereka. Jadi DNA berukuran 15 kb. dapat mengkodekan protein dengan berat molekul total sekitar 6x105. Pada saat yang sama, berat molekul total protein partikel ansambel pernapasan mitokondria lengkap mencapai nilai sekitar 2x106.

Beras. Ukuran relatif mitokondria di berbagai organisme.

Yang menarik adalah pengamatan nasib mitokondria dalam sel ragi. Dalam kondisi aerobik, sel ragi memiliki mitokondria khas dengan krista yang jelas. Ketika sel-sel dipindahkan ke kondisi anaerobik (misalnya, ketika mereka ditanam kembali atau ketika mereka dipindahkan ke atmosfer nitrogen), mitokondria khas tidak ditemukan dalam sitoplasma mereka, dan vesikel membran kecil terlihat sebagai gantinya. Ternyata dalam kondisi anaerobik, sel ragi tidak mengandung rantai pernapasan lengkap (tidak ada sitokrom b dan a). Ketika kultur diangin-anginkan, ada induksi cepat dari biosintesis enzim pernapasan, peningkatan tajam dalam konsumsi oksigen, dan mitokondria normal muncul di sitoplasma.
Pemukiman orang di Bumi

Ekologi konsumsi. Kesehatan: Haplogroup - sekelompok haplotipe serupa yang memiliki nenek moyang yang sama, di mana mutasi yang sama terjadi di kedua haplotipe ...

Ketika saya masih kecil, saya bertanya kepada nenek saya tentang akarnya, dia memberi tahu legenda bahwa kakek buyutnya yang jauh menikahi seorang gadis "lokal". Saya menjadi tertarik dengan hal ini dan melakukan sedikit riset. Veps, lokal di wilayah Vologda, adalah orang-orang Finno-Ugric. Untuk menguji secara akurat legenda keluarga ini, saya beralih ke genetika. Dan dia mengkonfirmasi legenda keluarga.

Haplogroup (dalam genetika populasi manusia - ilmu yang mempelajari sejarah genetik umat manusia) - sekelompok haplotipe serupa yang memiliki nenek moyang yang sama, di mana mutasi yang sama terjadi di kedua haplotipe. Istilah "haplogroup" banyak digunakan dalam silsilah genetik, di mana haplogroup Y-kromosom (Y-DNA), mitokondria (mtDNA) dan MHC dipelajari. Penanda genetik Y-DNA ditransmisikan dengan kromosom Y secara eksklusif melalui garis ayah (yaitu, dari ayah ke anak laki-laki), dan penanda mtDNA melalui garis ibu (dari ibu ke semua anak).

DNA mitokondria (mtDNA) diturunkan dari ibu ke anak. Karena hanya betina yang dapat mewariskan mtDNA kepada keturunannya, pengujian mtDNA memberikan informasi tentang ibu, ibunya, dan sebagainya melalui garis ibu langsung. Baik pria maupun wanita menerima mtDNA dari ibu mereka, sehingga baik pria maupun wanita dapat berpartisipasi dalam pengujian mtDNA. Meskipun mutasi memang terjadi pada mtDNA, frekuensinya relatif rendah. Selama ribuan tahun, mutasi ini telah terakumulasi, dan karena alasan ini garis keturunan perempuan dalam satu keluarga secara genetik berbeda dari yang lain. Setelah umat manusia menetap di planet ini, mutasi terus muncul secara acak dalam populasi yang terpisah jauh dari ras manusia yang dulunya tunggal.

Migrasi haplogroup mitokondria.

Rusia utara.

Saya sangat dekat dengan sejarah, alam, dan budaya Rusia Utara. Ini juga karena nenek saya berasal dari sana, yang tinggal bersama kami dan mencurahkan banyak waktu untuk membesarkan saya. Tetapi saya pikir untuk Belarusia kedekatannya bahkan lebih besar: lagipula, utara Rusia dihuni oleh Krivichi, yang juga membentuk inti dari Belarus masa depan. Selain itu, Pskov dan Novgorod adalah pusat Slavia kuno, demokratis sampai batas tertentu, dengan veche mereka sendiri (seperti Kyiv dan Polotsk).

Cukuplah untuk mengingat sejarah Republik Pskov Veche dan Republik Novgorod. Untuk waktu yang lama wilayah-wilayah ini berfluktuasi antara Kadipaten Agung Lituania dan Kerajaan Moskow, tetapi Kerajaan Moskow mengambil inisiatif dalam "mengumpulkan tanah". Dalam keadaan lain, identitas daerah ini dapat berkembang menjadi suatu bangsa yang mandiri. Namun, banyak yang dengan bangga menyebut diri mereka "Rusia Utara". Selain beberapa Belarusia, mereka membedakan Belarus Barat (Lithuania, Litvinia) dari Belarus Timur (Rusyn). Saya meminta Anda untuk tidak mencari latar belakang politik dalam kata-kata saya.

Jika di Belarus Slavia bercampur dengan suku Baltik, maka di Rusia - dengan suku Finno-Ugric. Ini memberikan etnis yang unik dari berbagai daerah. Parfyonov, yang berasal dari desa tetangga, mengatakan dengan sangat akurat: “Saya selalu merasakan asal saya. Rusia Utara - bagi saya itu sangat penting. Ini adalah ide saya tentang Rusia, karakter, etika, dan estetika kami. Selatan Voronezh bagi saya adalah orang Rusia lainnya. Sangat mengherankan bahwa ada Parfenov di keluarga saya. Aksinya Parfenova (1800-1904) adalah nenek dari Kirill Kirillovich Korichev (suami dari Alexandra Alekseevna Zemskova). Namun, nama keluarga ini umum, jadi mungkin kerabat, atau mungkin tidak.

Cherepovets, nenek buyut di kiri, nenek di kanan bawah, 1957?

Kelompok mitokondria saya adalah D5a3a.

Saat mengurutkan GVS1 - 16126s, 16136s, 16182s, 16183s, 16189s, 16223T, 16360T, 16362S. Ini berarti kelompok mitokondria saya adalah D5a3a. Ini adalah haplogroup yang sangat langka, bahkan ahli genetika terkejut - ini adalah pertama kalinya kelompok seperti itu ditentukan di Belarus. Secara umum, D adalah grup Asia. Para ilmuwan menulis bahwa itu ditemukan di kolam gen hanya beberapa kelompok etnis di Eurasia Utara.

Garis D5a3 tunggal ditemukan di Tajik, Altai, Korea, dan Rusia dari Veliky Novgorod. Semuanya (kecuali Korea) dicirikan oleh motif GVS1 16126-16136-16360, yang juga ditemukan di beberapa populasi Eropa Timur Laut.

Desa Annino, 1917, nenek buyutku.

Seluruh analisis genom menunjukkan bahwa mtDNA Rusia dan Mansi digabungkan menjadi kluster D5a3a terpisah, sedangkan mtDNA Korea diwakili oleh cabang terpisah. Usia evolusi dari seluruh haplogroup D5a3 adalah sekitar 20 ribu tahun (20560 ± 5935), sedangkan tingkat divergensi dari garis mtDNA D5a3a sesuai dengan sekitar 5 ribu tahun (5140 ± 1150). D5 adalah grup khas Asia Timur.

Di Siberia, varian D4 benar-benar mendominasi. D5 paling banyak dan beragam di Jepang, Korea, dan Cina selatan. Di antara orang-orang Siberia, keragaman D5 dan keberadaan varian etnis murni yang unik dicatat di antara kelompok-kelompok berbahasa Mongol timur, termasuk Evenk Mongol. D5a3 tercatat dalam varian kuno di Korea.Analisis yang lebih akurat menunjukkan usia D5a3a hingga 3000 tahun, tetapi induk D5a3 sangat kuno, mungkin ada Mesolitikum.

Cherepovets, 1940

Berdasarkan data yang tersedia, tampaknya logis untuk menyarankan asal D5a3 di suatu tempat di Timur Jauh(antara Mongolia dan Korea) dan migrasinya ke barat melalui Siberia Selatan. Kemungkinan nenek moyang langsung perempuan saya datang ke Eropa sekitar tiga ribu tahun yang lalu, berakar di Finlandia, Korea, di antara orang-orang Finno-Ugric lokal: Saami, Karelia, dan Vepsia. Ketika dicampur dengan Krivichi, haplogroup ini diteruskan ke penduduk modern Vologda dan wilayah Novgorod.

Apa itu DNA mitokondria?

DNA mitokondria (mtDNA) adalah DNA yang terletak di mitokondria, organel sel dalam sel eukariotik yang mengubah energi kimia dari makanan menjadi bentuk yang dapat digunakan sel - adenosin trifosfat (ATP). DNA mitokondria hanya sebagian kecil dari DNA dalam sel eukariotik; sebagian besar DNA dapat ditemukan dalam inti sel, pada tumbuhan dan alga, dan dalam plastida seperti kloroplas.

Pada manusia, 16.569 pasangan basa kode DNA mitokondria dengan total 37 gen. DNA mitokondria manusia adalah bagian penting pertama dari genom manusia yang diurutkan. Pada sebagian besar spesies, termasuk manusia, mtDNA diturunkan hanya dari ibu.

Karena mtDNA hewan berevolusi lebih cepat daripada penanda genetik nuklir, ini adalah dasar dari filogenetik dan biologi evolusioner. Ini telah menjadi poin penting dalam antropologi dan biogeografi, karena memungkinkan Anda untuk mempelajari hubungan populasi.

Hipotesis asal usul mitokondria

DNA nuklear dan mitokondria diyakini memiliki asal usul evolusi yang berbeda, dengan mtDNA berasal dari genom melingkar bakteri yang ditelan oleh nenek moyang awal sel eukariotik modern. Teori ini disebut teori endosimbiosis. Diperkirakan setiap mitokondria mengandung salinan 2-10 mtDNA. Dalam sel organisme yang masih ada, sebagian besar protein yang ada di mitokondria (berjumlah sekitar 1500 jenis berbeda pada mamalia) dikodekan oleh DNA nuklir, tetapi gen untuk beberapa, jika tidak sebagian besar, dianggap awalnya bakteri; mereka memiliki sejak dipindahkan ke nukleus eukariotik selama evolusi.

Alasan mengapa mitokondria mempertahankan gen tertentu dibahas. Keberadaan organel tanpa genom pada beberapa spesies yang berasal dari mitokondria menunjukkan bahwa hilangnya gen secara lengkap adalah mungkin, dan transfer gen mitokondria ke nukleus memiliki sejumlah keuntungan. Kesulitan dalam mengorientasikan produk protein hidrofobik yang diproduksi dari jarak jauh di mitokondria adalah salah satu hipotesis mengapa beberapa gen dilestarikan dalam mtDNA. Co-lokalisasi untuk regulasi redoks adalah teori lain, mengacu pada keinginan kontrol lokal atas mekanisme mitokondria. Analisis terbaru dari berbagai genom mitokondria menunjukkan bahwa kedua fungsi ini dapat menentukan retensi gen mitokondria.

Keahlian genetik mtDNA

Pada kebanyakan organisme multiseluler, mtDNA diturunkan dari ibu (garis ibu). Mekanisme untuk ini termasuk pengenceran sederhana (telur mengandung rata-rata 200.000 molekul mtDNA, sedangkan sperma manusia yang sehat mengandung rata-rata 5 molekul), degradasi sperma mtDNA dalam saluran reproduksi pria, dalam sel telur yang telah dibuahi, dan, setidaknya dalam beberapa organisme, ketidakmampuan mtDNA sperma menembus sel telur. Apapun mekanismenya, ini adalah pewarisan unipolar—pewarisan mtDNA—yang terjadi pada sebagian besar hewan, tumbuhan, dan jamur.

warisan ibu

Dalam reproduksi seksual, mitokondria biasanya diwarisi secara eksklusif dari ibu; mitokondria pada sperma mamalia biasanya dihancurkan oleh sel telur setelah pembuahan. Selain itu, sebagian besar mitokondria hadir di dasar ekor sperma, yang digunakan untuk mendorong sel sperma; terkadang ekornya hilang saat pembuahan. Pada tahun 1999, mitokondria sperma ayah (mengandung mtDNA) dilaporkan ditandai dengan ubiquitin untuk penghancuran selanjutnya di dalam embrio. Beberapa metode fertilisasi in vitro, khususnya injeksi sperma ke dalam oosit, dapat mengganggu hal ini.

Fakta bahwa DNA mitokondria diturunkan secara maternal memungkinkan ahli silsilah untuk melacak garis keturunan ibu jauh ke masa lalu. (DNA kromosom Y diwariskan secara paternal, digunakan dengan cara yang sama untuk menentukan riwayat patrilineal.) Hal ini biasanya dilakukan pada DNA mitokondria manusia dengan mengurutkan wilayah kontrol hipervariabel (HVR1 atau HVR2) dan terkadang seluruh molekul DNA mitokondria sebagai DNA silsilah uji. Misalnya, HVR1 panjangnya kira-kira 440 pasangan basa. 440 pasangan ini kemudian dibandingkan dengan wilayah kontrol individu lain (baik individu atau subjek tertentu dalam database) untuk menentukan garis keturunan ibu. Perbandingan yang paling umum adalah dengan urutan referensi Cambridge yang direvisi. Vila dkk. menerbitkan studi tentang kemiripan matrilineal anjing dan serigala domestik. Konsep Hawa Mitokondria didasarkan pada jenis analisis yang sama, mencoba menemukan asal usul umat manusia, menelusuri asal usulnya kembali ke masa lalu.

mtDNA sangat terkonservasi, dan tingkat mutasinya yang relatif lambat (dibandingkan dengan daerah DNA lain seperti mikrosatelit) membuatnya berguna untuk mempelajari hubungan evolusi—filogeni organisme. Ahli biologi dapat mengidentifikasi dan kemudian membandingkan urutan mtDNA lintas spesies dan menggunakan perbandingan untuk membangun pohon evolusi untuk spesies yang dipelajari. Namun, karena tingkat mutasi yang lambat yang dialaminya, seringkali sulit untuk membedakan spesies yang berkerabat dekat sampai tingkat tertentu, sehingga metode analisis lain harus digunakan.

Mutasi DNA mitokondria

Individu yang tunduk pada pewarisan searah dan hampir tidak ada rekombinasi dapat diharapkan untuk menjalani ratchet Muller, akumulasi mutasi yang merugikan sampai fungsionalitas hilang. Populasi hewan mitokondria lolos dari akumulasi ini karena proses perkembangan yang dikenal sebagai kemacetan mtDNA. Kemacetan menggunakan proses stokastik dalam sel untuk meningkatkan variabilitas sel ke sel dalam beban mutan saat organisme berkembang sedemikian rupa sehingga satu telur dengan beberapa mtDNA mutan menciptakan embrio di mana sel yang berbeda memiliki beban mutan yang berbeda. Tingkat sel kemudian dapat dipilih untuk menghilangkan sel-sel dengan lebih banyak mtDNA mutan, menghasilkan stabilisasi atau pengurangan beban mutan antar generasi. Mekanisme yang mendasari kemacetan dibahas dengan metastaging matematis dan eksperimental baru-baru ini dan memberikan bukti untuk kombinasi pemecahan acak mtDNA menjadi pembelahan sel dan pergantian acak molekul mtDNA di dalam sel.

warisan ayah

Warisan mtDNA searah bifold diamati pada bivalvia. Pada spesies ini, betina hanya memiliki satu jenis mtDNA (F), sedangkan jantan memiliki mtDNA tipe F dalam sel somatiknya, tetapi mtDNA tipe M (yang dapat mencapai 30% divergen) dalam sel germline mereka. Dalam mitokondria yang diturunkan secara maternal, beberapa serangga juga telah dilaporkan, seperti lalat buah, lebah, dan jangkrik periodik.

Warisan mitokondria jantan baru-baru ini ditemukan pada anak ayam Plymouth Rock. Bukti mendukung kasus langka pewarisan mitokondria jantan pada beberapa mamalia. Secara khusus, kasus yang terdokumentasi ada pada tikus di mana mitokondria jantan yang diwariskan kemudian ditolak. Selain itu, telah ditemukan pada domba serta sapi kloning. Suatu ketika ditemukan dalam tubuh seorang pria.

Sementara banyak dari kasus ini melibatkan kloning embrio atau penolakan selanjutnya dari mitokondria ayah, yang lain mendokumentasikan pewarisan dan ketekunan in vivo in vitro.

Donasi mitokondria

Metode IVF, yang dikenal sebagai donasi mitokondria atau terapi penggantian mitokondria (MRT), menghasilkan keturunan yang mengandung mtDNA dari donor wanita dan DNA inti dari ibu dan ayah. Dalam prosedur transfer gelendong, inti sel telur disuntikkan ke dalam sitoplasma sel telur dari donor wanita yang nukleusnya telah dihilangkan tetapi masih mengandung mtDNA dari donor wanita. Telur komposit kemudian dibuahi dengan sperma laki-laki. Prosedur ini digunakan ketika seorang wanita dengan mitokondria yang cacat secara genetik ingin menghasilkan keturunan dengan mitokondria yang sehat. Bayi pertama yang diketahui lahir dari sumbangan mitokondria adalah anak laki-laki yang lahir dari pasangan Yordania di Meksiko pada 6 April 2016.

Struktur DNA mitokondria

Pada sebagian besar organisme multiseluler, mtDNA - atau mitogenome - diatur sebagai DNA untai ganda yang bulat dan tertutup. Tetapi dalam banyak organisme uniseluler (misalnya, tetrachymenes atau ganggang hijau Chlamydomonas reinhardtii) dan jarang pada organisme multiseluler (misalnya, beberapa spesies cnidaria), mtDNA ditemukan sebagai DNA yang terorganisir secara linier. Sebagian besar mtDNA linier ini memiliki telomer independen telomerase (yaitu, ujung DNA linier) dengan mode replikasi yang berbeda, yang menjadikannya subjek penelitian yang menarik, karena banyak dari organisme bersel tunggal dengan mtDNA linier ini dikenal sebagai patogen.

Untuk DNA mitokondria manusia (dan mungkin untuk metazoa), 100-10.000 salinan individu mtDNA biasanya ada dalam sel somatik (telur dan sperma adalah pengecualian). Pada mamalia, setiap molekul mtDNA melingkar beruntai ganda terdiri dari 15.000-17.000 pasangan basa. Kedua untai mtDNA berbeda dalam kandungan nukleotidanya, untai kaya guanida disebut rantai berat (atau untai H) dan untai kaya sinosin disebut rantai ringan (atau untai L). Kode rantai berat untuk 28 gen dan kode rantai ringan untuk 9 gen, dengan total 37 gen. Dari 37 gen, 13 untuk protein (polipeptida), 22 untuk transmisi RNA (tRNA), dan dua untuk subunit kecil dan besar RNA ribosom (rRNA). Mitogenom manusia mengandung gen yang tumpang tindih (ATP8 dan ATP6, serta ND4L dan ND4: lihat peta genom mitokondria manusia), yang jarang terjadi pada genom hewan. Pola 37-gen juga ditemukan di antara sebagian besar metazoa, meskipun, dalam beberapa kasus, satu atau lebih gen ini hilang dan kisaran ukuran mtDNA lebih besar. Lagi perubahan yang lebih besar Kandungan dan ukuran gen mtDNA ada di antara jamur dan tanaman, meskipun tampaknya ada subset inti dari gen yang ada di semua eukariota (dengan pengecualian beberapa yang tidak memiliki mitokondria sama sekali). Beberapa spesies tumbuhan memiliki mtDNA yang sangat besar (sebanyak 2.500.000 pasangan basa per molekul mtDNA), tetapi yang mengejutkan, bahkan mtDNA yang sangat besar ini pun mengandung jumlah dan jenis gen yang sama dengan tanaman terkait dengan mtDNA yang jauh lebih kecil.

Genom mitokondria mentimun (Cucumis Sativus) terdiri dari tiga kromosom melingkar (1556, 84, dan 45 kb panjangnya) yang sepenuhnya atau sebagian besar otonom sehubungan dengan replikasi mereka.

Enam jenis genom utama telah ditemukan dalam genom mitokondria. Jenis genom ini telah diklasifikasikan oleh "Kolesnikov dan Gerasimov (2012)" dan berbeda dalam berbagai cara seperti genom melingkar versus linier, ukuran genom, keberadaan intron atau struktur plasmid serupa, dan apakah materi genetik adalah molekul tunggal, kumpulan molekul homogen atau heterogen.

Menguraikan genom hewan

Dalam sel hewan, hanya ada satu jenis genom mitokondria. Genom ini mengandung satu molekul melingkar antara 11-28 kbp materi genetik (tipe 1).

Menguraikan genom tanaman

Ada tiga jenis genom yang ditemukan pada tumbuhan dan jamur. Tipe pertama adalah genom sirkular yang memiliki intron (tipe 2) dengan panjang berkisar antara 19 hingga 1000 kbp. Genom tipe kedua adalah genom sirkular (sekitar 20-1000 kbp), yang juga memiliki struktur plasmid (1kb) (tipe 3). Jenis genom terakhir yang dapat ditemukan pada tumbuhan dan jamur adalah genom linier yang tersusun dari molekul DNA homogen (tipe 5).

Menguraikan genom protista

Protista mengandung berbagai macam genom mitokondria, yang mencakup lima jenis yang berbeda. Tipe 2, tipe 3, dan tipe 5 yang disebutkan dalam genom tanaman dan jamur juga ada di beberapa protozoa, serta dalam dua tipe genom yang unik. Yang pertama adalah kumpulan molekul DNA sirkular yang heterogen (tipe 4) dan tipe genom terakhir yang ditemukan pada protista adalah kumpulan molekul linier yang heterogen (tipe 6). Genom tipe 4 dan 6 berkisar dari 1 hingga 200 kb.,

Transfer gen endosimbiotik, proses gen yang dikodekan dalam genom mitokondria, dibawa terutama oleh genom sel, mungkin menjelaskan mengapa organisme yang lebih kompleks seperti manusia memiliki genom mitokondria yang lebih kecil daripada organisme yang lebih sederhana seperti protozoa.

Replikasi DNA mitokondria

DNA mitokondria direplikasi oleh kompleks gamma DNA polimerase, yang terdiri dari polimerase DNA katalitik 140 kD yang dikodekan oleh gen POLG dan dua subunit aksesori 55 kD yang dikodekan oleh gen POLG2. Perangkat replikasi dibentuk oleh DNA polimerase, TWINKLE, dan protein SSB mitokondria. TWINKLE adalah helikase yang melepaskan dsDNA pendek dalam arah 5" hingga 3".

Selama embriogenesis, replikasi mtDNA diatur secara ketat dari oosit yang dibuahi melalui embrio pra-implantasi. Pengurangan efektif dalam jumlah sel di setiap sel mtDNA berperan dalam kemacetan mitokondria yang mengeksploitasi variabilitas sel-ke-sel untuk meningkatkan pewarisan mutasi yang merusak. Pada tahap blastosit, awal replikasi mtDNA khusus untuk sel trofokoder. Sebaliknya, sel-sel dalam massa sel bagian dalam membatasi replikasi mtDNA sampai mereka menerima sinyal untuk berdiferensiasi menjadi tipe sel tertentu.

Transkripsi DNA mitokondria

Dalam mitokondria hewan, setiap untai DNA terus ditranskripsi dan menghasilkan molekul RNA polisistronik. Di antara sebagian besar (tetapi tidak semua) daerah pengkode protein, terdapat tRNA (lihat Peta Genom Mitokondria Manusia). Selama transkripsi, tRNA mengambil bentuk-L karakteristik yang dikenali dan dibelah oleh enzim tertentu. Setelah pemrosesan RNA mitokondria, fragmen individu mRNA, rRNA, dan tRNA dilepaskan dari transkrip utama. Dengan demikian, tRNA yang ditumpuk bertindak sebagai tanda baca sekunder.

Penyakit mitokondria

Gagasan bahwa mtDNA sangat rentan terhadap spesies oksigen reaktif yang dihasilkan oleh rantai pernapasan karena kedekatannya masih kontroversial. mtDNA tidak mengakumulasi lebih banyak basa oksidatif daripada DNA inti. Telah dilaporkan bahwa setidaknya beberapa jenis kerusakan DNA oksidatif diperbaiki lebih efisien di mitokondria daripada di nukleus. mtDNA dikemas dengan protein yang tampak sama protektifnya dengan protein kromatin inti. Selain itu, mitokondria telah mengembangkan mekanisme unik yang mempertahankan integritas mtDNA dengan menurunkan genom yang sangat rusak, diikuti dengan replikasi mtDNA yang utuh/diperbaiki. Mekanisme ini tidak ada dalam nukleus dan diaktifkan oleh beberapa salinan mtDNA yang ada di mitokondria. Hasil mutasi pada mtDNA dapat berupa perubahan instruksi pengkodean untuk beberapa protein, yang dapat mempengaruhi metabolisme dan/atau kebugaran organisme.

Mutasi DNA mitokondria dapat menyebabkan sejumlah penyakit, termasuk intoleransi olahraga dan sindrom Kearns-Saire (KSS), yang menyebabkan seseorang kehilangan fungsi penuh dari gerakan jantung, mata, dan otot. Beberapa bukti menunjukkan bahwa mereka dapat berkontribusi secara signifikan terhadap proses penuaan dan berhubungan dengan patologi terkait usia. Secara khusus, dalam konteks penyakit, proporsi molekul mtDNA mutan dalam sel disebut sebagai heteroplasma. Distribusi heteroplasma di dalam dan di antara sel menentukan onset dan keparahan penyakit dan dipengaruhi oleh proses stokastik yang kompleks di dalam sel dan selama perkembangan.

Mutasi pada tRNA mitokondria mungkin bertanggung jawab untuk penyakit parah seperti sindrom MELAS dan MERRF.

Mutasi pada gen nuklir yang mengkode protein yang digunakan mitokondria juga dapat berkontribusi pada penyakit mitokondria. Penyakit ini tidak mengikuti pola pewarisan mitokondria, melainkan mengikuti pola pewarisan Mendel.

Baru-baru ini, mutasi pada mtDNA telah digunakan untuk membantu mendiagnosis kanker prostat pada pasien yang biopsinya negatif.

Mekanisme penuaan

Meskipun idenya kontroversial, beberapa bukti menunjukkan hubungan antara penuaan dan disfungsi genom mitokondria. Intinya, mutasi pada mtDNA mengganggu keseimbangan produksi oksigen reaktif (ROS) dan produksi ROS enzimatik (oleh enzim seperti superoksida dismutase, katalase, glutathione peroksidase, dan lain-lain). Namun, beberapa mutasi yang meningkatkan produksi ROS (misalnya, dengan mengurangi pertahanan antioksidan) pada cacing meningkatkan daripada mengurangi umur panjangnya. Selain itu, tikus mol telanjang, tikus seukuran tikus, hidup sekitar delapan kali lebih lama daripada tikus, meskipun berkurang, dibandingkan dengan tikus, pertahanan antioksidan dan peningkatan kerusakan oksidatif pada biomolekul.

Pada satu titik, dianggap ada lingkaran umpan balik positif di tempat kerja ("Lingkaran Setan"); karena DNA mitokondria mengakumulasi kerusakan genetik yang disebabkan oleh radikal bebas, mitokondria kehilangan fungsi dan melepaskan radikal bebas ke dalam sitosol. Penurunan fungsi mitokondria mengurangi efisiensi metabolisme secara keseluruhan. Namun, konsep ini secara definitif dibantah ketika tikus yang direkayasa secara genetik untuk mengakumulasi mutasi mtDNA pada tingkat yang meningkat terbukti menua sebelum waktunya, tetapi jaringan mereka tidak menghasilkan lebih banyak ROS, seperti yang diprediksi oleh Vicious Cycle Hypothesis. Mendukung hubungan antara umur panjang dan DNA mitokondria, beberapa penelitian telah menemukan korelasi antara sifat biokimia DNA mitokondria dan umur panjang spesies. Penelitian ekstensif sedang dilakukan untuk mengeksplorasi lebih lanjut hubungan ini dan metode anti-penuaan. Saat ini, terapi gen dan suplemen nutraceutical adalah bidang penelitian yang populer saat ini. Bjelakovic dkk. menganalisis hasil dari 78 penelitian antara 1977 dan 2012, yang melibatkan total 296.707 peserta, menyimpulkan bahwa suplemen antioksidan tidak mengurangi semua penyebab kematian atau memperpanjang harapan hidup, sementara beberapa di antaranya, seperti beta-karoten, vitamin E, dan dosis yang lebih tinggi. vitamin A, sebenarnya dapat meningkatkan kematian.

Titik putus penghapusan sering ditemukan di dalam atau di dekat wilayah yang menunjukkan konformasi non-kanonik (non-B), yaitu jepit rambut, salib, dan elemen mirip semanggi. Selain itu, ada bukti yang mendukung keterlibatan daerah lengkung heliks dan G-tetrad panjang dalam mendeteksi peristiwa ketidakstabilan. Selain itu, titik kepadatan yang lebih tinggi secara konsisten diamati di daerah dengan kemiringan GC dan di dekat fragmen degenerasi dari urutan YMMYMNNMMHM.

Bagaimana DNA mitokondria berbeda dari nuklir?

Tidak seperti DNA inti, yang diwarisi dari kedua orang tua dan di mana gen disusun ulang melalui rekombinasi, biasanya tidak ada perubahan mtDNA dari induk ke keturunannya. Sementara mtDNA juga bergabung kembali, ia melakukannya dengan salinan dirinya sendiri dalam mitokondria yang sama. Karena itu, tingkat mutasi mtDNA hewan lebih tinggi daripada DNA inti. mtDNA adalah alat yang ampuh untuk melacak nenek moyang melalui betina (matrilineage) dan telah digunakan dalam peran ini untuk melacak nenek moyang banyak spesies ratusan generasi yang lalu.

Tingkat mutasi yang cepat (pada hewan) membuat mtDNA berguna untuk menilai hubungan genetik individu atau kelompok dalam suatu spesies, dan untuk mengidentifikasi dan mengukur filogeni (hubungan evolusioner) di antara spesies yang berbeda. Untuk melakukan ini, ahli biologi menentukan dan kemudian membandingkan urutan mtDNA dari individu atau spesies yang berbeda. Data perbandingan digunakan untuk membangun jaringan hubungan antara urutan yang memberikan perkiraan hubungan antara individu atau spesies dari mana mtDNA diambil. mtDNA dapat digunakan untuk menilai hubungan antara spesies yang berkerabat dekat dan jauh. Karena tingginya frekuensi mutasi mtDNA pada hewan, posisi 3 kodon berubah relatif cepat, dan dengan demikian memberikan informasi tentang jarak genetik antara individu atau spesies yang berkerabat dekat. Di sisi lain, laju substitusi protein mt sangat lambat, sehingga perubahan asam amino terakumulasi perlahan (dengan perubahan lambat yang sesuai pada posisi kodon 1 dan 2) dan dengan demikian memberikan informasi tentang jarak genetik kerabat jauh. Model statistik yang memperhitungkan frekuensi substitusi antara posisi kodon secara terpisah oleh karena itu dapat digunakan untuk secara bersamaan memperkirakan filogeni yang berisi spesies yang terkait dekat dan jauh.

Sejarah penemuan mtDNA

DNA mitokondria ditemukan pada tahun 1960-an oleh Margit M. K. Nas dan Sylvan Nas menggunakan mikroskop elektron sebagai untai peka-DNase dalam mitokondria, dan oleh Ellen Hasbrunner, Hans Tuppi, dan Gottfried Schatz dari analisis biokimia pada fraksi mitokondria yang sangat murni.

DNA mitokondria pertama kali dikenali pada tahun 1996 selama Tennessee v. Paul Ware. Pada tahun 1998, di Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynn Rorrer, DNA mitokondria diterima sebagai bukti untuk pertama kalinya di negara bagian Pennsylvania. Kasus ini ditampilkan dalam episode 55 Musim 5 dari Seri Sejati Kasus Pengadilan Forensik Dramatis (Musim 5).

DNA mitokondria pertama kali dikenali di California selama penuntutan yang sukses terhadap David Westerfield atas penculikan dan pembunuhan tahun 2002 terhadap Danielle van Dam yang berusia 7 tahun di San Diego: DNA tersebut digunakan untuk mengidentifikasi manusia dan anjing. Ini adalah percobaan pertama di AS untuk menyelesaikan DNA anjing.

database mtDNA

Beberapa database khusus telah dibuat untuk mengumpulkan urutan genom mitokondria dan informasi lainnya. Meskipun kebanyakan dari mereka fokus pada data urutan, beberapa di antaranya termasuk informasi filogenetik atau fungsional.

• MitoSatPlant: Basis Data Mikrosatelit Viridiplant Mitokondria.

• MitoBreak: Database Pos Pemeriksaan DNA mitokondria.

• MitoFish dan MitoAnnotator: database genom mitokondria ikan. Lihat juga Cawthorn dkk.

• MitoZoa 2.0: database untuk analisis komparatif dan evolusi genom mitokondria (tidak lagi tersedia)

• InterMitoBase: basis data dan platform beranotasi untuk analisis interaksi protein-protein untuk mitokondria manusia (terakhir diperbarui pada 2010, tetapi masih belum tersedia)

• Mitome: database untuk genomik mitokondria komparatif dalam metazoa (tidak lagi tersedia)

• MitoRes: sumber daya untuk gen mitokondria yang disandikan dengan nuklir dan produknya di metazoa (tidak lagi diperbarui)

Ada beberapa database khusus yang melaporkan polimorfisme dan mutasi pada DNA mitokondria manusia, bersama dengan penilaian patogenisitasnya.

• MITOMAP: ringkasan polimorfisme dan mutasi pada DNA mitokondria manusia.

• MitImpact: Kumpulan prediksi patogenisitas prediktif untuk semua perubahan nukleotida yang menyebabkan substitusi non-sinonim pada gen yang mengkode protein mitokondria manusia.

Contoh pewarisan mitokondria adalah resistensi antibiotik dalam sel ragi dan kemandulan seksual jantan (tidak adanya gamet jantan) di sejumlah tanaman, seperti jagung.

Pada manusia (mungkin) - malformasi seperti fusi ekstremitas bawah dan spina bifida.

warisan sentriolar

Contoh tanda yang ditransmisikan melalui sentriol belum ditetapkan.

Dalam sitoplasma bakteri, molekul DNA melingkar kecil terletak secara otonom - plasmid. Tiga jenis plasmid telah diisolasi.

Plasmid yang mengandung faktor F (faktor kesuburan): F+ (jantan), F- (betina). Selama konjugasi, faktor tersebut dapat berpindah dari satu bakteri ke bakteri lainnya, mis. perubahan jenis kelamin.

Plasmid yang mengandung faktor R (faktor resistensi) menentukan resistensi antibiotik. Mereka juga dapat berpindah dari satu bakteri ke bakteri lainnya.

Plasmid kolisinogen - mengkodekan protein yang memiliki efek merugikan pada individu dari spesies yang sama yang tidak mengandung kolisinogen (bakteri pembunuh).

Gen nukleus dan sitoplasma berinteraksi satu sama lain. Mereka didasarkan pada bentuk interaksi gen non-alelik yang diketahui seperti epistasis (misalnya, gen nuklir menekan gen sitoplasma).

Ada juga pseudositoplasma keturunan karena adanya simbion dalam sel - bakteri atau virus. Jadi, Drosophila memiliki ras dengan kepekaan yang meningkat terhadap CO2. Dalam sel ras ini ada virus yang menentukan sifat ini.

Beberapa sepatu ciliates ("pembunuh") mengeluarkan zat yang memiliki efek merugikan pada individu lain dari spesies yang sama. Bakteri ditemukan di dalam selnya.

Pada tikus, ada ras dengan kecenderungan turun-temurun untuk kanker payudara. Penularan terjadi melalui air susu ibu yang mengandung virus. Jika kita mengecualikan memberi makan keturunan dengan susu ini, maka tidak akan ada kecenderungan kanker, dan sebaliknya, jika keturunan dari ras yang sehat diberi susu ini, maka mereka akan mengembangkan kecenderungan kanker.

Variabilitas

Variabilitas - properti organisme hidup untuk mengubah informasi yang sangat turun-temurun yang diterima dari orang tua dan proses implementasinya dalam proses ontogenesis.

Ada tiga jenis variabilitas:

fenotipik,

ontogenetik,

genotip.

Variabilitas fenotipik, atau modifikasi - perubahan fenotipe sebagai respons terhadap aksi faktor lingkungan. Jenis variabilitas ini diidentifikasi oleh C. Darwin dan dinamai olehnya " yakin". Sifat-sifat yang diperoleh selama ontogenesis tidak diwariskan. Batas variabilitas suatu sifat disebut norma reaksi. Laju reaksi diwariskan. Itu bisa lebar atau sempit. (Berikan contoh.)

Untuk proses evolusi, variabilitas fenotipik sangat penting, karena. seleksi alam individu di alam didasarkan pada fenotipe.

ontogenetik variabilitas - perubahan genotipe dan fenotipe yang teratur selama ontogenesis.

Perubahan fenotipe tubuh manusia dalam proses pertumbuhan, munculnya karakteristik seksual sekunder adalah contoh variabilitas ontogenetik.

Perubahan reguler dalam genotipe selama ontogenesis baru-baru ini ditemukan. Namun, beberapa contoh seperti itu diketahui. Dengan demikian, protein imunoglobulin pada tikus terdiri dari dua fraksi: V (variabel) dan C (konstan). Pada embrio tikus, gen yang mengkodenya terletak pada jarak yang cukup jauh satu sama lain:

Pada tikus dewasa, gen-gen ini terhubung dan bekerja sebagai satu:

Variabilitas genotipe karena adanya perubahan genotipe. Bab Darwin menyebut jenis variabilitas ini “ tidak pasti". Ini adalah variabilitas herediter (diwariskan oleh warisan).

Variabilitas genotipe dibagi menjadi dua jenis: kombinasi dan mutasi .

Variabilitas kombinasi karena rekombinasi materi genetik yang ada.

Ada tiga sumber variabilitas kombinatif di alam:

1) divergensi independen kromosom pada meiosis (jumlah kombinasi adalah

2 n , di mana n adalah jumlah kromosom dalam set haploid);

2) pindah silang (pertukaran daerah homolog antar homolog

kromosom);

3) kombinasi acak kromosom selama pembuahan.

Semua ini mengarah pada keragaman besar genotipe dan fenotipe, yang, pada gilirannya, memastikan kemampuan adaptasi spesies yang tinggi.

Pada intinya mutasi variabilitas terletak pada restrukturisasi aparatus genetik.