Mitochondrijos turi savo DNR. Mitochondrijų DNR. Neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR palyginimas

Istoriškai pirmasis tokio pobūdžio tyrimas buvo atliktas naudojant mitochondrijų DNR. Mokslininkai paėmė mėginį iš Afrikos, Azijos, Europos, Amerikos vietinių gyventojų ir šiame, iš pradžių nedideliame, mėginyje palygino skirtingų individų mitochondrijų DNR tarpusavyje. Jie nustatė, kad mitochondrijų DNR įvairovė yra didžiausia Afrikoje. Ir kadangi yra žinoma, kad mutacijos įvykiai gali pakeisti mitochondrijų DNR tipą, taip pat žinoma, kaip ji gali pasikeisti, todėl galima pasakyti, kurie žmonių tipai nuo kurių gali mutuoti. Iš visų žmonių, kuriems buvo atliktas DNR tyrimas, afrikiečiai nustatė daug didesnį kintamumą. Mitochondrijų DNR tipai kituose žemynuose buvo ne tokie įvairūs. Tai reiškia, kad afrikiečiai turėjo daugiau laiko kaupti šiuos pokyčius. Jie turėjo daugiau laiko biologinei evoliucijai, jei būtent Afrikoje randama senovinių DNR liekanų, nebūdingų europietiškoms žmonių mutacijoms.

Galima teigti, kad genetikams, naudojantiems mitochondrijų DNR, pavyko įrodyti moterų kilmę Afrikoje. Jie taip pat tyrė Y chromosomas. Paaiškėjo, kad iš Afrikos atvyksta ir vyrai.

Mitochondrijų DNR tyrimų dėka galima ne tik nustatyti, kad žmogus kilęs iš Afrikos, bet ir nustatyti jo atsiradimo laiką. Žmonijos mitochondrijų pirmtakės atsiradimo laikas buvo nustatytas lyginamuoju šimpanzių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR tyrimu. Žinant mutacijų divergencijos greitį – 2-4% per milijoną metų – galima nustatyti dviejų šakų – šimpanzės ir šiuolaikinio žmogaus – atsiskyrimo laiką. Tai įvyko maždaug prieš 5–7 milijonus metų. Manoma, kad mutacijų skirtumo greitis yra pastovus.

Mitochondrijų Ieva

Kai žmonės kalba apie mitochondrijų Ievą, jie neturi omenyje individo. Jie kalba apie tai, kad evoliucijos būdu atsiranda visa panašių savybių individų populiacija. Manoma, kad mitochondrijų Ieva gyveno tuo laikotarpiu, kai smarkiai sumažėjo mūsų protėvių skaičius iki maždaug dešimties tūkstančių individų.

Rasų kilmė

Tyrinėdami skirtingų populiacijų mitochondrijų DNR, genetikai pasiūlė, kad dar prieš išvykstant iš Afrikos protėvių populiacija buvo suskirstyta į tris grupes, iš kurių atsirado trys šiuolaikinės rasės – afrikietiška, kaukazoidinė ir mongoloidinė. Manoma, kad tai įvyko maždaug prieš 60 - 70 tūkstančių metų.

Neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR palyginimas

Papildomos informacijos apie žmogaus kilmę gauta palyginus neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR genetinius tekstus. Mokslininkams pavyko perskaityti dviejų neandertaliečių kaulų liekanų mitochondrijų DNR genetinius tekstus. Pirmojo neandertaliečio kaulai buvo rasti Feldhoverio urve Vokietijoje. Kiek vėliau buvo perskaitytas genetinis neandertaliečio vaiko mitochondrijų DNR tekstas, kuris buvo rastas Šiaurės Kaukaze Mezhmayskaya oloje. Lyginant šiuolaikinių žmonių ir neandertaliečių mitochondrijų DNR, buvo rasti labai dideli skirtumai. Jei paimtume DNR atkarpą, tai iš 370 nukleotidų skiriasi 27. O jei lygintume šiuolaikinio žmogaus genetinius tekstus, jo mitochondrinę DNR, tai skiriasi tik aštuoni nukleotidai. Manoma, kad neandertalietis ir šiuolaikinis žmogus yra visiškai atskiros šakos, kiekvienos iš jų evoliucija buvo nepriklausoma viena nuo kitos.

Tiriant neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR genetinių tekstų skirtumus, buvo nustatyta šių dviejų šakų atskyrimo data. Tai įvyko maždaug prieš 500 tūkstančių metų, o maždaug prieš 300 tūkstančių metų įvyko galutinis jų išsiskyrimas. Manoma, kad neandertaliečiai apsigyveno Europoje ir Azijoje ir juos išstūmė šiuolaikiniai žmonės, kurie po 200 tūkstančių metų paliko Afriką. Ir galiausiai, maždaug prieš 28–35 tūkstančius metų, neandertaliečiai išmirė. Kodėl taip atsitiko, apskritai kol kas neaišku. Galbūt jie negalėjo pakęsti konkurencijos su šiuolaikinio tipo žmogumi, o gal tam buvo kitų priežasčių.

DNR mitochondrijose atstovauja ciklinėms molekulėms, kurios nesudaro ryšių su histonais, šiuo atžvilgiu jos primena bakterijų chromosomas.
Žmonių mitochondrijų DNR yra 16,5 tūkst. bp, ji yra visiškai iššifruota. Nustatyta, kad įvairių objektų mitochondrinė DNR yra labai vienalytė, jų skirtumas slypi tik intronų ir netranskribuotų sričių dydžiu. Visa mitochondrijų DNR yra pavaizduota keliomis kopijomis, surinktomis grupėmis, klasteriais. Taigi, vienoje žiurkės kepenų mitochondrijoje gali būti nuo 1 iki 50 ciklinių DNR molekulių. Bendras mitochondrijų DNR kiekis vienoje ląstelėje yra apie vieną procentą. Mitochondrijų DNR sintezė nesusijusi su DNR sinteze branduolyje. Kaip ir bakterijose, mitochondralinė DNR surenkama į atskirą zoną – nukleoidą, jo dydis yra apie 0,4 mikrono skersmens. Ilgose mitochondrijose gali būti nuo 1 iki 10 nukleoidų. Kai ilga mitochondrija dalijasi, nuo jos atskiriama pjūvis, kuriame yra nukleoidas (panašiai, kaip vyksta dvejetainis bakterijų dalijimasis). DNR kiekis atskiruose mitochondrijų nukleoiduose gali skirtis 10 kartų, priklausomai nuo ląstelės tipo. Kai mitochondrijos susilieja, gali pasikeisti jų vidiniai komponentai.
rRNR ir mitochondrijų ribosomos smarkiai skiriasi nuo esančių citoplazmoje. Jei citoplazmoje randama 80s ribosomų, tai augalų ląstelių mitochondrijų ribosomos priklauso 70s ribosomoms (jos susideda iš 30s ir 50s subvienetų, turi prokariotinėms ląstelėms būdingų 16s ir 23s RNR), o mažesnių ribosomų (apie 50s) yra gyvūnų. ląstelių mitochondrijos. Baltymų sintezė vyksta ribosomų mitoplazmoje. Jis sustoja, priešingai nei sintezė citoplazminėse ribosomose, veikiant antibiotikui chloramfenikoliui, kuris slopina baltymų sintezę bakterijose.
Pernešimo RNR taip pat sintetinamos mitochondrijų genome, iš viso susintetina 22 tRNR. Mitochondrijų sintetinės sistemos tripletas kodas skiriasi nuo naudojamo hialoplazmoje. Nepaisant iš pažiūros visų baltymų sintezei reikalingų komponentų, mažos mitochondrijų DNR molekulės negali koduoti visų mitochondrijų baltymų, tik nedidelę jų dalį. Taigi DNR yra 15 kb dydžio. gali koduoti baltymus, kurių bendra molekulinė masė yra apie 6x105. Tuo pačiu metu viso mitochondrijų kvėpavimo ansamblio dalelės baltymų bendra molekulinė masė pasiekia apie 2x106.

Ryžiai. Santykiniai mitochondrijų dydžiai įvairiuose organizmuose.

Įdomūs yra mitochondrijų likimo mielių ląstelėse stebėjimai. Aerobinėmis sąlygomis mielių ląstelės turi tipiškas mitochondrijas su aiškiai apibrėžtomis kristomis. Kai ląstelės perkeliamos į anaerobines sąlygas (pavyzdžiui, kai jos subkultūruojamos arba perkeliamos į azoto atmosferą), jų citoplazmoje nerandama tipiškų mitochondrijų, o vietoje jų matomos mažos membranos pūslelės. Paaiškėjo, kad anaerobinėmis sąlygomis mielių ląstelėse nėra visos kvėpavimo grandinės (nėra citochromų b ir a). Aeruojant kultūrą, citoplazmoje atsiranda greita kvėpavimo fermentų biosintezės indukcija, staigus deguonies suvartojimo padidėjimas, normalios mitochondrijos.
Žmonių apsigyvenimas Žemėje

Vartojimo ekologija. Sveikata: Haplogrupė - panašių haplotipų, turinčių bendrą protėvį, grupė, kurioje abiejuose haplotipuose įvyko ta pati mutacija ...

Dar būdamas vaikas paklausiau močiutės apie šaknis, ji pasakojo legendą, kad jos tolimas prosenelis vedė „vietinę“ mergaitę. Susidomėjau tuo ir pradėjau nedidelį tyrimą. Vepsai, vietiniai Vologdos regione, yra finougrai. Norėdamas tiksliai patikrinti šią šeimos legendą, kreipiausi į genetiką. Ir ji patvirtino šeimos legendą.

Haplogrupė (žmonių populiacijos genetikoje – mokslas, tiriantis žmonijos genetinę istoriją) – panašių haplotipų, turinčių bendrą protėvį, grupė, kurioje abiejuose haplotipuose įvyko ta pati mutacija. Terminas „haplogrupė“ plačiai vartojamas genetinėje genealogijoje, kur tiriamos Y-chromosomų (Y-DNR), mitochondrijų (mtDNR) ir MHC haplogrupės. Y-DNR genetiniai žymenys perduodami su Y chromosoma tik per tėvo liniją (ty iš tėvo į sūnus), o mtDNR žymenys per motinos liniją (nuo motinos iki visų vaikų).

Mitochondrijų DNR (mtDNR) perduodama iš motinos vaikui. Kadangi tik patelės gali perduoti mtDNR savo palikuonims, mtDNR tyrimas suteikia informaciją apie motiną, jos motiną ir tt tiesiogine motinos linija. Tiek vyrai, tiek moterys mtDNR gauna iš savo mamų, todėl tiek vyrai, tiek moterys gali dalyvauti mtDNR tyrimuose. Nors mutacijų pasitaiko mtDNR, jų dažnis yra palyginti mažas. Per tūkstantmečius šios mutacijos kaupėsi ir dėl šios priežasties moteriškoji linija vienoje šeimoje genetiškai skiriasi nuo kitos. Žmonijai apsigyvenus planetoje, mutacijos ir toliau atsitiktinai atsirasdavo plačiai atskirtose kadaise vienos žmonių rasės populiacijose.

Mitochondrijų haplogrupių migracija.

Rusijos šiaurė.

Man labai artima Rusijos Šiaurės istorija, gamta ir kultūra. Taip yra ir dėl to, kad iš ten yra kilusi mano močiutė, kuri gyveno su mumis ir skyrė daug laiko mano auklėjimui. Bet manau, kad baltarusiams artumas yra dar didesnis: juk Rusijos šiaurėje gyveno krivičiai, kurie sudarė ir būsimos Baltarusijos branduolį. Be to, Pskovas ir Novgorodas yra senovės slavų centrai, tam tikru mastu demokratiški, turintys savo večę (kaip ir Kijevas ir Polockas).

Užtenka prisiminti Pskovo Večės Respublikos ir Novgorodo Respublikos istoriją. Šios teritorijos ilgą laiką svyravo tarp Lietuvos Didžiosios Kunigaikštystės ir Maskvos Kunigaikštystės, tačiau pastaroji ėmėsi iniciatyvos „rinkti žemes“. Kitomis aplinkybėmis šio regiono tapatybė galėtų išsivystyti į savarankišką tautybę. Tačiau daugelis išdidžiai save vadina „šiaurės rusais“. Kaip ir kai kurie baltarusiai, jie skiria Vakarų Baltarusiją (lietuvių, litvinų) nuo Rytų Baltarusijos (rusėnų). Prašau jūsų neieškoti mano žodžiuose jokio politinio fono.

Jei Baltarusijoje slavai maišėsi su baltų gentimis, tai Rusijoje - su finougrų gentimis. Tai suteikė unikalią skirtingų regionų etninę kilmę. Iš gretimų kaimų kilęs Parfjonovas labai tiksliai pasakė: „Aš visada jaučiu savo kilmę. Šiaurės rusų kalba – man tai labai svarbu. Tai mano idėja apie Rusiją, mūsų charakterį, etiką ir estetiką. Į pietus nuo Voronežo man yra kiti rusai. Įdomu, kad mano šeimoje yra Parfenovų. Aksinya Parfenova (1800–1904) yra Kirilo Kirillovičiaus Koričevo (Aleksandros Aleksejevnos Zemskovos vyro) močiutė. Tačiau ši pavardė dažna, tad gal giminės, o gal ir ne.

Čerepovecas, prosenelė kairėje, močiutė apačioje dešinėje, 1957 m.?

Mano mitochondrijų grupė yra D5a3a.

Sekant GVS1 - 16126s, 16136s, 16182s, 16183s, 16189s, 16223T, 16360T, 16362S. Tai reiškia, kad mano mitochondrijų grupė yra D5a3a. Tai labai reta haplogrupė, nustebo net genetikai – tokia grupė Baltarusijoje nustatyta pirmą kartą. Apskritai D yra Azijos grupė. Mokslininkai rašo, kad jis randamas tik kai kurių Šiaurės Eurazijos etninių grupių genofonduose.

Pavienės D5a3 linijos buvo aptiktos tadžikams, altajiečiams, korėjiečiams ir rusams iš Veliky Novgorodo. Visoms joms (išskyrus korėjiečių) būdingas 16126-16136-16360 GVS1 motyvas, kuris taip pat aptinkamas kai kuriose Šiaurės Rytų Europos populiacijose.

Annino kaimas, 1917 m., mano prosenelė.

Visa genomo analizė parodė, kad rusų ir mansi mtDNR yra sujungti į atskirą klasterį D5a3a, o korėjiečių mtDNR atstovauja atskira šaka. Visos D5a3 haplogrupės evoliucinis amžius yra apie 20 tūkstančių metų (20560 ± 5935), o D5a3a mtDNR linijų divergencijos laipsnis atitinka apie 5 tūkstančius metų (5140 ± 1150). D5 yra aiškiai Rytų Azijos grupė.

Sibire absoliučiai vyrauja D4 variantai. D5 yra daugiausiai ir įvairiausių Japonijoje, Korėjoje ir Pietų Kinijoje. Tarp Sibiro tautų D5 įvairovė ir unikalūs grynai etniniai variantai buvo pastebėti tarp rytų mongolakalbių grupių, įskaitant mongolizuotus evenkus. D5a3 pažymėtas archajišku variantu Korėjoje.Tikslesnė analizė rodo D5a3a amžių iki 3000 metų, bet tėvas D5a3 labai senas, tikriausiai yra mezolitas.

Čerepovecas, 1940 m

Remiantis turimais duomenimis, atrodo logiška pasiūlyti D5a3 kilmę kažkur Tolimieji Rytai(tarp Mongolijos ir Korėjos) ir jos migracija į vakarus per Pietų Sibirą. Tikėtina, kad mano tiesioginės moterys protėviai į Europą atkeliavo maždaug prieš tris tūkstančius metų, įleidusios šaknis Suomijoje, Korėjoje, tarp vietinių finougrų tautų: samių, karelų ir vepsų. Susimaišius su Krivičiais, šios haplogrupės atiteko šiuolaikiniams Vologdos ir Novgorodo srities gyventojams.

Kas yra mitochondrijų DNR?

Mitochondrijų DNR (mtDNR) yra DNR, esanti mitochondrijose, ląstelių organelėse eukariotinėse ląstelėse, kurios paverčia cheminę energiją iš maisto į formą, kurią ląstelės gali panaudoti – adenozino trifosfatą (ATP). Mitochondrijų DNR yra tik nedidelė eukariotinės ląstelės DNR dalis; daugumą DNR galima rasti ląstelės branduolyje, augaluose ir dumbliuose bei plastiduose, tokiuose kaip chloroplastai.

Žmonėms 16 569 bazinės poros mitochondrijų DNR koduoja iš viso 37 genus. Žmogaus mitochondrijų DNR buvo pirmoji reikšminga žmogaus genomo dalis, kuri buvo sekvenuota. Daugumoje rūšių, įskaitant žmones, mtDNR paveldima tik iš motinos.

Kadangi gyvūnų mtDNR vystosi greičiau nei branduoliniai genetiniai žymenys, tai yra filogenetikos ir evoliucinės biologijos pagrindas. Tai tapo svarbiu antropologijos ir biogeografijos tašku, nes leidžia ištirti populiacijų santykius.

Mitochondrijų kilmės hipotezės

Manoma, kad branduolinė ir mitochondrijų DNR turi skirtingą evoliucinę kilmę, o mtDNR gaunama iš žiedinių bakterijų genomų, kuriuos apėmė ankstyvieji šiuolaikinių eukariotinių ląstelių protėviai. Ši teorija vadinama endosimbiotine teorija. Apskaičiuota, kad kiekvienoje mitochondrijoje yra 2–10 mtDNR kopijų. Išlikusių organizmų ląstelėse didžioji dauguma mitochondrijose esančių baltymų (žinduolių jų yra apie 1500 skirtingų tipų) yra koduojami branduolinės DNR, tačiau manoma, kad kai kurių, jei ne daugumos, genai iš pradžių yra bakterijų; nuo tada buvo perkeltas į eukariotinį branduolį.evoliucijos metu.

Aptariamos priežastys, kodėl mitochondrijos išlaiko tam tikrus genus. Genomų neturinčių organelių egzistavimas kai kuriose mitochondrinės kilmės rūšyse rodo, kad galimas visiškas genų praradimas, o mitochondrijų genų perkėlimas į branduolį turi nemažai privalumų. Sunkumai orientuojant nuotoliniu būdu pagamintus hidrofobinius baltymų produktus mitochondrijose yra viena iš hipotezių, kodėl kai kurie genai yra išsaugoti mtDNR. Bendra lokalizacija redokso reguliavimui yra kita teorija, nurodanti, kad pageidaujama lokalizuota mitochondrijų mechanizmų kontrolė. Neseniai atlikta daugybės mitochondrijų genomų analizė rodo, kad abi šios funkcijos gali lemti mitochondrijų genų sulaikymą.

MtDNR genetinė ekspertizė

Daugumoje daugialąsčių organizmų mtDNR yra paveldima iš motinos (motinos linija). Prie to prisideda paprastas dauginimasis (kiaušintale yra vidutiniškai 200 000 mtDNR molekulių, o sveiko žmogaus spermoje yra vidutiniškai 5 molekulės), mtDNR spermatozoidų skaidymas vyrų reprodukciniame trakte, apvaisintame kiaušinyje ir bent jau nedaug organizmų, nesugebėjimas spermatozoidų mtDNR prasiskverbti į kiaušinėlį. Nepriklausomai nuo mechanizmo, tai yra vienpolis paveldėjimas – mtDNR paveldėjimas, kuris pasitaiko daugumoje gyvūnų, augalų ir grybų.

motinos palikimas

Lytinio dauginimosi metu mitochondrijos dažniausiai paveldimos tik iš motinos; žinduolių spermatozoidų mitochondrijas paprastai sunaikina kiaušinėlis po apvaisinimo. Be to, dauguma mitochondrijų yra spermos uodegos apačioje, kuri naudojama spermatozoidų ląstelėms varyti; kartais apvaisinimo metu netenkama uodegos. 1999 m. buvo pranešta, kad tėvo spermos mitochondrijos (turinčios mtDNR) buvo pažymėtos ubikvitinu, kad vėliau būtų sunaikintos embrione. Tam gali trukdyti kai kurie apvaisinimo mėgintuvėlyje metodai, ypač spermos injekcija į oocitą.

Faktas, kad mitochondrijų DNR yra paveldima iš motinos, leidžia genealogams atsekti motinos liniją toli praeityje. (Y-chromosomų DNR yra paveldima iš tėvo, panašiai naudojama patrilinealinei istorijai nustatyti.) Paprastai tai atliekama žmogaus mitochondrijų DNR sekvenuojant hiperkintamą kontrolinę sritį (HVR1 arba HVR2), o kartais ir visą mitochondrijų DNR molekulę kaip genealoginę DNR. bandymas. Pavyzdžiui, HVR1 yra maždaug 440 bazinių porų. Tada šios 440 porų palyginamos su kitų asmenų (konkrečių asmenų arba duomenų bazės subjektų) kontroliniais regionais, siekiant nustatyti motinos kilmę. Dažniausias palyginimas yra su peržiūrėta Kembridžo nuorodų seka. Vila ir kt. paskelbtus tyrimus apie naminių šunų ir vilkų matrilineinį panašumą. Mitochondrijų Ievos samprata remiasi to paties tipo analize, bandant atrasti žmonijos kilmę, atsekti kilmę laiku.

mtDNR yra labai konservuota, o jos santykinai lėtas mutacijų greitis (palyginti su kitais DNR regionais, tokiais kaip mikrosatelitai), todėl naudinga tiriant evoliucinius ryšius – organizmų filogeniją. Biologai gali nustatyti ir palyginti skirtingų rūšių mtDNR sekas ir panaudoti palyginimus, kad sukurtų tiriamų rūšių evoliucinį medį. Tačiau dėl lėto mutacijų greičio, kurį ji patiria, dažnai sunku atskirti artimai susijusias rūšis, todėl reikia naudoti kitus analizės metodus.

Mitochondrijų DNR mutacijos

Tikėtina, kad asmenys, kuriems būdingas vienakryptis paveldėjimas ir beveik jokios rekombinacijos, patirs Miulerio reketą – žalingų mutacijų kaupimąsi tol, kol praras funkcionalumą. Mitochondrijų gyvūnų populiacijos išvengia šio kaupimosi dėl vystymosi proceso, žinomo kaip mtDNR kliūtis. Kliūties kaklelis naudoja stochastinius procesus ląstelėje, kad padidintų mutantų krūvio kintamumą tarp ląstelių, nes organizmas vystosi taip, kad vienas kiaušinis su tam tikra mutantine mtDNR sukuria embrioną, kuriame skirtingos ląstelės turi skirtingas mutantų apkrovas. Tada galima pasirinkti ląstelių lygį, kad būtų pašalintos ląstelės, turinčios daugiau mutantinės mtDNR, todėl mutantų krūvis tarp kartų stabilizuojamas arba sumažėja. Pagrindinis kliūties mechanizmas aptariamas naudojant naujausius matematinius ir eksperimentinius metastazavimus ir pateikia įrodymų, kad atsitiktinis mtDNR suskaidymas į ląstelių dalijimąsi ir atsitiktinė mtDNR molekulių apykaita ląstelėje.

tėvo palikimas

Dvigeldžiams stebimas dvipusis vienkryptis mtDNR paveldėjimas. Šių rūšių patelės turi tik vieno tipo mtDNR (F), o patinai turi F tipo mtDNR savo somatinėse ląstelėse, o M tipo mtDNR (kuri gali skirtis net 30 %) savo lytinių ląstelių ląstelėse. Iš motinos paveldimos mitochondrijos taip pat buvo pranešta apie kai kuriuos vabzdžius, pavyzdžiui, vaisines muses, bites ir periodines cikadas.

Patinų mitochondrijų paveldėjimas neseniai buvo aptiktas Plymouth Rock viščiukuose. Įrodymai patvirtina retus kai kurių žinduolių mitochondrijų paveldėjimo atvejus. Visų pirma, yra dokumentais pagrįstų pelių atvejų, kai patinų paveldėtos mitochondrijos vėliau buvo atmestos. Be to, jo buvo aptikta avių ir klonuotų galvijų organizme. Kartą buvo rastas vyro kūne.

Nors daugelis iš šių atvejų yra susiję su embriono klonavimu arba vėlesniu tėvo mitochondrijų atmetimu, kiti dokumentuoja paveldėjimą ir išlikimą in vivo laboratorijoje.

Mitochondrijų donorystė

IVF metodas, žinomas kaip mitochondrijų donorystė arba mitochondrijų pakaitinė terapija (MRT), lemia, kad palikuonys turi mtDNR iš moterų donorų ir branduolinę DNR iš motinos ir tėvo. Atliekant verpstės perkėlimo procedūrą, kiaušialąstės branduolys suleidžiamas į moters donorės kiaušinėlio citoplazmą, iš kurio buvo pašalintas branduolys, tačiau vis dar yra moters donorės mtDNR. Tada sudėtinė kiaušialąstė apvaisinama patino sperma. Ši procedūra taikoma, kai moteris su genetiškai pažeistomis mitochondrijomis nori susilaukti palikuonių su sveikomis mitochondrijomis. Pirmasis žinomas kūdikis, gimęs iš mitochondrijų donorystės, buvo berniukas, gimęs Jordanijos porai Meksikoje 2016 m. balandžio 6 d.

Mitochondrijų DNR struktūra

Daugumoje daugialąsčių organizmų mtDNR – arba mitogenomas – yra organizuota kaip apvali, žiediškai uždara, dvigrandė DNR. Tačiau daugelyje vienaląsčių organizmų (pvz., tetrachimenų arba žaliųjų dumblių Chlamydomonas reinhardtii) ir retai daugialąsčiuose organizmuose (pvz., kai kuriose cnidarijų rūšyse) mtDNR randama kaip linijiškai organizuota DNR. Dauguma šių linijinių mtDNR turi nuo telomerazės nepriklausomus telomerus (ty linijinės DNR galus) su skirtingais replikacijos režimais, todėl jie tapo įdomiais tyrimo objektais, nes daugelis šių vienaląsčių organizmų su linijine mtDNR yra žinomi patogenai.

Žmogaus mitochondrijų DNR (ir tikriausiai metazoanams) somatinėje ląstelėje paprastai yra 100–10 000 atskirų mtDNR kopijų (kiaušiniai ir sperma yra išimtis). Žinduolių kiekviena dvigrandė žiedinė mtDNR molekulė susideda iš 15 000–17 000 bazinių porų. Dvi mtDNR grandinės skiriasi savo nukleotidų kiekiu, guanido turtinga grandinė vadinama sunkiąja grandine (arba H grandine), o cinozino turtinga grandinė vadinama lengva grandine (arba L grandine). Sunkioji grandinė koduoja 28 genus, o lengvoji – 9 genus, iš viso 37 genus. Iš 37 genų 13 yra skirti baltymams (polipeptidams), 22 – RNR (tRNR) perdavimui, o du – mažiems ir dideliems ribosominės RNR (rRNR) subvienetams. Žmogaus mitogenome yra persidengiančių genų (ATP8 ir ATP6, taip pat ND4L ir ND4: žr. žmogaus mitochondrijų genomo žemėlapį), o tai retai pasitaiko gyvūnų genomuose. 37 genų modelis taip pat randamas tarp daugumos metazoanų, nors kai kuriais atvejais trūksta vieno ar daugiau iš šių genų, o mtDNR dydžio diapazonas yra didesnis. Daugiau didesnis pokytis MtDNR genų kiekis ir dydis egzistuoja tarp grybų ir augalų, nors atrodo, kad yra pagrindinis genų pogrupis, kuris yra visuose eukariotuose (išskyrus keletą, kurie apskritai neturi mitochondrijų). Kai kurios augalų rūšys turi didžiulę mtDNR (net 2 500 000 bazinių porų vienoje mtDNR molekulėje), tačiau stebėtina, kad net šiose didžiulėse mtDNR yra tiek pat genų ir rūšių, kaip ir gimininguose augaluose, kurių mtDNR yra daug mažesnė.

Agurkų (Cucumis Sativus) mitochondrijų genomą sudaro trys apskritos chromosomos (1556, 84 ir 45 kb ilgio), kurios yra visiškai arba iš esmės savarankiškos jų replikacijos atžvilgiu.

Mitochondrijų genomuose buvo rasti šeši pagrindiniai genomo tipai. Šiuos genomų tipus klasifikavo Kolesnikovas ir Gerasimovas (2012) ir jie skiriasi įvairiais būdais, pvz., apskrito ir linijinio genomo, genomo dydžio, intronų ar panašių plazmidinių struktūrų buvimo ir tuo, ar genetinė medžiaga yra viena molekulė, vienarūšių arba nevienalyčių molekulių rinkinys.

Gyvūno genomo iššifravimas

Gyvūnų ląstelėse yra tik vieno tipo mitochondrijų genomas. Šiame genome yra viena apskrita 11–28 kbp genetinės medžiagos molekulė (1 tipas).

Augalų genomo iššifravimas

Augaluose ir grybuose yra trys skirtingi genomo tipai. Pirmasis tipas yra apskritas genomas, kurio intronai (2 tipas) svyruoja nuo 19 iki 1000 kbp. Antrasis genomo tipas yra apskritas genomas (apie 20-1000 kbp), kuris taip pat turi plazmidinę struktūrą (1 kb) (3 tipas). Galutinis genomo tipas, kurį galima rasti augaluose ir grybuose, yra linijinis genomas, sudarytas iš homogeninių DNR molekulių (5 tipas).

Protistų genomo iššifravimas

Protistai turi daugybę mitochondrijų genomų, įskaitant penkis skirtingus tipus. Augalų ir grybų genome minimi 2, 3 ir 5 tipai taip pat egzistuoja kai kuriuose pirmuoniuose, taip pat dviejuose unikaliuose genomo tipuose. Pirmasis iš jų yra nevienalytė žiedinių DNR molekulių kolekcija (4 tipas), o galutinis protistų genomo tipas yra nevienalytė linijinių molekulių kolekcija (6 tipas). 4 ir 6 genomo tipai svyruoja nuo 1 iki 200 kb.

Endosimbiotinis genų perkėlimas, mitochondrijų genome užkoduotų genų procesas, daugiausia vykdomas ląstelės genomo, tikriausiai paaiškindamas, kodėl sudėtingesni organizmai, tokie kaip žmonės, turi mažesnius mitochondrijų genomus nei paprastesni organizmai, tokie kaip pirmuonys.

Mitochondrijų DNR replikacija

Mitochondrijų DNR replikuoja DNR polimerazės gama kompleksas, susidedantis iš 140 kD katalizinės DNR polimerazės, koduojamos POLG geno, ir dviejų 55 kD pagalbinių subvienetų, koduojamų POLG2 geno. Replikacijos įrenginį sudaro DNR polimerazė, TWINKLE ir mitochondrijų SSB baltymai. TWINKLE yra spiralė, kuri išvynioja trumpą dsDNR dalį 5–3 colių kryptimi.

Embriogenezės metu mtDNR replikacija yra griežtai reguliuojama iš apvaisinto oocito per embrioną prieš implantaciją. Veiksmingas ląstelių skaičiaus sumažėjimas kiekvienoje ląstelėje mtDNR vaidina svarbų vaidmenį mitochondrijų kliūtyse, išnaudojant ląstelių kintamumą, kad būtų pagerintas žalingų mutacijų paveldėjimas. Blastocitų stadijoje mtDNR replikacijos pradžia būdinga troftokoderių ląstelėms. Priešingai, ląstelės vidinėje ląstelių masėje riboja mtDNR replikaciją, kol gauna signalus, skirtus diferencijuoti į specifinius ląstelių tipus.

Mitochondrijų DNR transkripcija

Gyvūnų mitochondrijose kiekviena DNR grandinė yra nuolat transkribuojama ir gamina policistroninę RNR molekulę. Tarp daugumos (bet ne visų) baltymus koduojančių regionų yra tRNR (žr. Žmogaus mitochondrijų genomo žemėlapį). Transkripcijos metu tRNR įgauna būdingą L formą, kurią atpažįsta ir skaido specifiniai fermentai. Apdorojant mitochondrijų RNR, atskiri mRNR, rRNR ir tRNR fragmentai išsiskiria iš pirminio transkripto. Taigi, sukrautos tRNR veikia kaip antrinės skyrybos ženklai.

Mitochondrijų ligos

Nuomonė, kad mtDNR yra ypač jautri reaktyviosioms deguonies rūšims, kurias sukuria kvėpavimo grandinė, dėl jos artumo, išlieka prieštaringa. mtDNR nesukaupia daugiau oksidacinės bazės nei branduolinė DNR. Buvo pranešta, kad bent kai kurie oksidacinio DNR pažeidimo tipai mitochondrijose yra atstatomi efektyviau nei branduolyje. mtDNR yra supakuota su baltymais, kurie atrodo taip pat apsaugantys kaip branduolio chromatino baltymai. Be to, mitochondrijos sukūrė unikalų mechanizmą, palaikantį mtDNR vientisumą, sunaikindamos pernelyg pažeistus genomus, o po to replikuojasi nepažeista / suremontuota mtDNR. Šio mechanizmo branduolyje nėra ir jį aktyvuoja kelios mitochondrijose esančios mtDNR kopijos. Dėl mtDNR mutacijos gali pasikeisti kai kurių baltymų kodavimo instrukcijos, kurios gali turėti įtakos organizmo metabolizmui ir (arba) tinkamumui.

Mitochondrijų DNR mutacijos gali sukelti daugybę ligų, įskaitant fizinio krūvio netoleravimą ir Kearns-Saire sindromą (KSS), dėl kurio žmogus praranda visas širdies, akių ir raumenų judesių funkcijas. Kai kurie įrodymai rodo, kad jie gali labai prisidėti prie senėjimo proceso ir yra susiję su su amžiumi susijusia patologija. Visų pirma, ligos kontekste mutantinių mtDNR molekulių dalis ląstelėje vadinama heteroplazma. Heteroplazmos pasiskirstymas ląstelėse ir tarp jų lemia ligos pradžią ir sunkumą ir yra įtakojamas sudėtingų stochastinių procesų ląstelėje ir vystymosi metu.

Mitochondrijų tRNR mutacijos gali būti atsakingos už sunkias ligas, tokias kaip MELAS ir MERRF sindromai.

Branduolinių genų, koduojančių mitochondrijų naudojamus baltymus, mutacijos taip pat gali prisidėti prie mitochondrijų ligos. Šios ligos nesilaiko mitochondrijų paveldėjimo modelių, o seka Mendelio paveldėjimo modelius.

Neseniai mtDNR mutacijos buvo naudojamos siekiant padėti diagnozuoti prostatos vėžį pacientams, kuriems nebuvo atlikta biopsija.

Senėjimo mechanizmas

Nors idėja yra prieštaringa, kai kurie įrodymai rodo ryšį tarp senėjimo ir mitochondrijų genomo disfunkcijos. Iš esmės mtDNR mutacijos sutrikdo kruopščią reaktyviojo deguonies (ROS) gamybos ir fermentinės ROS gamybos pusiausvyrą (kurią veikia tokie fermentai kaip superoksido dismutazė, katalazė, glutationo peroksidazė ir kt.). Tačiau kai kurios mutacijos, padidinančios ROS gamybą (pavyzdžiui, sumažindamos antioksidacinę apsaugą), kirminuose didina, o ne sumažina jų ilgaamžiškumą. Be to, nuogos kurmių žiurkės, pelės dydžio graužikai, gyvena maždaug aštuonis kartus ilgiau nei pelės, nepaisant sumažėjusios, palyginti su pelėmis, antioksidacinės apsaugos ir padidėjusios oksidacinės žalos biomolekulėms.

Vienu metu buvo manoma, kad darbe yra teigiamo grįžtamojo ryšio kilpa („Užburtas ratas“); kadangi mitochondrijų DNR kaupia genetinę žalą, kurią sukelia laisvieji radikalai, mitochondrijos praranda funkciją ir išskiria laisvuosius radikalus į citozolį. Sumažėjusi mitochondrijų funkcija mažina bendrą medžiagų apykaitos efektyvumą. Tačiau ši koncepcija buvo galutinai paneigta, kai buvo įrodyta, kad pelės, genetiškai modifikuotos taip, kad kauptų mtDNR mutacijas didesniu greičiu, per anksti sensta, tačiau jų audiniai negamina daugiau ROS, kaip prognozuota užburto ciklo hipotezėje. Palaikydami ryšį tarp ilgaamžiškumo ir mitochondrijų DNR, kai kurie tyrimai nustatė ryšį tarp mitochondrijų DNR biocheminių savybių ir rūšies ilgaamžiškumo. Atliekami išsamūs tyrimai, siekiant toliau tirti šį ryšį ir kovos su senėjimu metodus. Šiuo metu genų terapija ir mitybos papildai yra populiarios dabartinių tyrimų sritys. Bjelakovičius ir kt. Išanalizuoti 78 1977–2012 m. tyrimų rezultatai, kuriuose iš viso dalyvavo 296 707 dalyviai, padarė išvadą, kad antioksidantų papildai nesumažina mirtingumo dėl visų priežasčių ir nepailgina gyvenimo trukmės, o kai kurie iš jų, pavyzdžiui, beta karotinas, vitaminas E ir didesnės vitamino A, iš tikrųjų gali padidinti mirtingumą.

Ištrynimo lūžio taškai dažnai randami regionuose, kuriuose yra nekanoninių (ne B) konformacijų, ty plaukų segtukų, kryžminių ir į dobilus panašių elementų, arba šalia jų. Be to, yra įrodymų, patvirtinančių spiralinių kreivių sričių ir ilgų G-tetradų dalyvavimą nustatant nestabilumo įvykius. Be to, didesnio tankio taškai buvo nuolat stebimi regionuose, kuriuose yra GC iškrypimas, ir arti išsigimusio YMMYMNNMMHM sekos fragmento.

Kuo mitochondrijų DNR skiriasi nuo branduolinės?

Skirtingai nuo branduolinės DNR, kuri yra paveldima iš abiejų tėvų ir kurioje genai yra pertvarkomi per rekombinaciją, mtDNR paprastai nepasikeičia nuo tėvų iki palikuonių. Nors mtDNA taip pat rekombinuojasi, ji tai daro su savo kopijomis toje pačioje mitochondrijoje. Dėl šios priežasties gyvūnų mtDNR mutacijų greitis yra didesnis nei branduolinės DNR. mtDNA yra galingas įrankis, leidžiantis atsekti protėvius per pateles (matrilineage), ir buvo naudojamas atliekant šį vaidmenį siekiant atsekti daugelio rūšių kilmę prieš šimtus kartų.

Dėl greito mutacijų greičio (gyvūnams) mtDNR yra naudinga vertinant individų ar grupių genetinius ryšius rūšies viduje ir nustatant bei kiekybiškai įvertinant skirtingų rūšių filogenezę (evoliucinius ryšius). Norėdami tai padaryti, biologai nustato ir palygina skirtingų individų ar rūšių mtDNR seką. Palyginamieji duomenys naudojami sukurti ryšių tarp sekų tinklą, kuris pateikia santykį tarp individų ar rūšių, iš kurių buvo paimta mtDNR. mtDNR gali būti naudojama glaudžiai susijusių ir tolimų rūšių santykiams įvertinti. Dėl didelio gyvūnų mtDNR mutacijų dažnio 3 pozicijos kodonai gana greitai keičiasi, todėl suteikia informacijos apie genetinius atstumus tarp artimai susijusių individų ar rūšių. Kita vertus, mt baltymų pakeitimo greitis yra labai lėtas, todėl aminorūgščių pokyčiai kaupiasi lėtai (atitinkamai lėtai keičiasi 1 ir 2 kodono pozicijos) ir taip suteikia informacijos apie tolimų giminaičių genetinius atstumus. Todėl statistiniai modeliai, kuriuose atskirai atsižvelgiama į kodono pozicijų pakeitimo dažnį, gali būti naudojami vienu metu įvertinti filogeniją, kurioje yra ir artimai susijusių, ir tolimų rūšių.

mtDNR atradimo istorija

Mitochondrijų DNR septintajame dešimtmetyje atrado Margit M. K. Nas ir Sylvan Nas, naudodamos elektronų mikroskopiją kaip DNazei jautrias grandines mitochondrijose, o Ellen Hasbrunner, Hansas Tuppi ir Gottfriedas Schatzas iš biocheminių labai išgrynintų mitochondrijų frakcijų analizių.

Mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo atpažinta 1996 m. per Tennessee prieš Paulą Ware'ą. 1998 m. Pensilvanijos Sandrauga prieš Patricia Lynn Rorrer mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo įtraukta į įrodymus Pensilvanijos valstijoje. Ši byla buvo parodyta tikrosios dramatiškų teismo ekspertizės bylų serijos 5 sezono 55 serijoje (5 sezonas).

Mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo atpažinta Kalifornijoje per sėkmingą Davido Westerfieldo baudžiamąjį persekiojimą dėl 7 metų Danielle van Dam pagrobimo ir nužudymo San Diege 2002 m.: ji buvo naudojama tiek žmonėms, tiek šunims identifikuoti. Tai buvo pirmasis bandymas JAV, siekiant išspręsti šunų DNR.

mtDNA duomenų bazės

Buvo sukurtos kelios specializuotos duomenų bazės, skirtos rinkti mitochondrijų genomo sekas ir kitą informaciją. Nors dauguma jų sutelkia dėmesį į sekos duomenis, kai kurie iš jų apima filogenetinę ar funkcinę informaciją.

• MitoSatPlant: Mitochondrijų Viridiplant mikrosatelitų duomenų bazė.

• MitoBreak: Mitochondrijų DNR patikros taškų duomenų bazė.

• MitoFish ir MitoAnnotator: žuvų mitochondrijų genomo duomenų bazė. Taip pat žr. Cawthorn ir kt.

• MitoZoa 2.0: duomenų bazė, skirta lyginamajai ir evoliucinei mitochondrijų genomų analizei (nebėra)

• InterMitoBase: anotuota duomenų bazė ir platforma, skirta žmogaus mitochondrijų baltymų ir baltymų sąveikai analizuoti (paskutinį kartą atnaujinta 2010 m., bet vis dar nepasiekiama)

• Mitome: metazoanų lyginamosios mitochondrijų genomikos duomenų bazė (nebėra)

• MitoRes: branduolyje užkoduotų mitochondrijų genų ir jų produktų metazoa išteklius (nebėra atnaujintas)

Yra keletas specializuotų duomenų bazių, kuriose pranešama apie žmogaus mitochondrijų DNR polimorfizmus ir mutacijas bei jų patogeniškumo įvertinimą.

• MITOMAP: žmogaus mitochondrijų DNR polimorfizmų ir mutacijų rinkinys.

• MitImpact: Nuspėjamojo patogeniškumo prognozių rinkimas visiems nukleotidų pokyčiams, kurie sukelia nesinoniminius pakaitalus genuose, koduojančiuose žmogaus mitochondrijų baltymus.

Mitochondrijų paveldėjimo pavyzdžiai yra mielių ląstelių atsparumas antibiotikams ir daugelio augalų, pavyzdžiui, kukurūzų, vyriškas lytinis sterilumas (vyriškų lytinių ląstelių nebuvimas).

Žmonėms (manoma) - tokie apsigimimai kaip apatinių galūnių ir spina bifida susiliejimas.

centriolinis paveldėjimas

Per centrioles perduodamų ženklų pavyzdžiai dar nenustatyti.

Bakterijų citoplazmoje autonomiškai išsidėsto mažos apskritos DNR molekulės - plazmidės. Išskirtos trijų tipų plazmidės.

Plazmidės, turinčios F faktorių (vaisingumo faktorių): F+ (vyriškas), F- (moteriškas). Konjugacijos metu faktorius gali pereiti iš vienos bakterijos į kitą, t.y. lyties pokyčiai.

Plazmidės, turinčios R faktorių (atsparumo faktorių), lemia atsparumą antibiotikams. Jie taip pat gali pereiti iš vienos bakterijos į kitą.

Kolicinogeninės plazmidės – koduoja baltymus, kurie žalingai veikia tos pačios rūšies individus, neturinčius kolicinogenų (bakterijų žudikų).

Branduolio ir citoplazmos genai sąveikauja tarpusavyje. Jie pagrįsti žinomomis nealelinių genų sąveikos formomis, tokiomis kaip epistazė (pavyzdžiui, branduoliniai genai slopina citoplazminius genus).

Taip pat yra pseudocitoplazminis paveldimumas dėl simbiontų buvimo ląstelėse – bakterijų ar virusų. Taigi, Drosophila lenktynėse yra padidėjęs jautrumas CO 2. Šios rasės ląstelėse yra virusų, kurie lemia šią savybę.

Kai kurie blakstienos batai ("žudikai") išskiria medžiagas, kurios daro žalingą poveikį kitiems tos pačios rūšies individams. Bakterijos randamos jų ląstelėse.

Pelės yra rasės, turinčios paveldimą polinkį sirgti krūties vėžiu. Užsikrečiama per motinos pieną, kuriame yra virusų. Jei atmesime palikuonių maitinimą šiuo pienu, tada nebus polinkio sirgti vėžiu, ir atvirkščiai, jei sveikos rasės palikuonys bus maitinami šiuo pienu, tada jiems išsivystys polinkis sirgti vėžiu.

Kintamumas

Kintamumas - gyvų organizmų savybė keisti tiek pačią paveldimą informaciją, gaunamą iš tėvų, tiek jos įgyvendinimo eigą ontogenezės eigoje.

Yra trys kintamumo tipai:

fenotipinis,

ontogenetinis,

genotipinis.

Fenotipinis arba modifikacijos kintamumas - fenotipo pasikeitimas, reaguojant į aplinkos veiksnių poveikį. Tokį kintamumo tipą nustatė C. Darwinas ir pavadino jis “ tam tikras“. Ontogenezės metu įgytos savybės nėra paveldimos. Požymio kintamumo ribos vadinamos reakcijos norma. Reakcijos greitis yra paveldimas. Jis gali būti platus arba siauras. (Pateikite pavyzdžių.)

Evoliucijos procesui fenotipinis kintamumas yra labai svarbus, nes. natūrali individų atranka gamtoje grindžiama fenotipu.

ontogenetinis kintamumas - reguliarus genotipo ir fenotipo pasikeitimas ontogenezės metu.

Žmogaus kūno fenotipo pokyčiai augimo procese, antrinių lytinių požymių atsiradimas yra ontogenetinio kintamumo pavyzdžiai.

Neseniai buvo aptiktas reguliarus genotipo pokytis ontogenezės metu. Tačiau tokių pavyzdžių žinoma nedaug. Taigi pelių imunoglobulino baltymai susideda iš dviejų frakcijų: V (kintama) ir C (pastovi). Pelių embrionuose juos koduojantys genai yra gana dideliu atstumu vienas nuo kito:

Suaugusiose pelėse šie genai yra sujungti ir veikia kaip vienas:

Genotipinis kintamumas dėl genotipo pasikeitimo. Ch. Darwinas tokį kintamumo tipą pavadino „ neapibrėžtas“. Tai yra paveldimas kintamumas (perduodamas paveldėjimo būdu).

Genotipinis kintamumas skirstomas į du tipus: kombinacinis ir mutacinis .

Derinio kintamumas dėl esamos genetinės medžiagos rekombinacijos.

Gamtoje yra trys kombinuoto kintamumo šaltiniai:

1) nepriklausomas chromosomų išsiskyrimas esant mejozei (kombinacijų skaičius yra

2 n , kur n yra chromosomų skaičius haploidų rinkinyje);

2) kirtimas (homologinių sričių keitimasis tarp homologinių

chromosomos);

3) atsitiktinis chromosomų derinys apvaisinimo metu.

Visa tai lemia didžiulę genotipų ir fenotipų įvairovę, o tai savo ruožtu užtikrina didelį rūšių prisitaikymą.

Esmė mutacinis kintamumas slypi genetinio aparato restruktūrizavime.