Mitocondriile au propriul lor ADN. ADN mitocondrial. Comparație între ADN-ul mitocondrial al neandertalienilor și al oamenilor moderni

Din punct de vedere istoric, primul studiu de acest fel a fost realizat folosind ADN mitocondrial. Oamenii de știință au luat un eșantion de la nativii din Africa, Asia, Europa, America, iar în acest eșantion, inițial mic, au comparat ADN-ul mitocondrial al diferiților indivizi. Ei au descoperit că diversitatea ADN-ului mitocondrial este cea mai mare în Africa. Și din moment ce se știe că evenimentele mutaționale pot schimba tipul de ADN mitocondrial și se știe, de asemenea, cum se poate schimba, atunci, prin urmare, este posibil să spunem ce tipuri de oameni ar putea muta din care. Dintre toți oamenii care au fost testați ADN, africanii au fost cei care au descoperit o variabilitate mult mai mare. Tipurile de ADN mitocondrial de pe alte continente au fost mai puțin diverse. Aceasta înseamnă că africanii au avut mai mult timp să acumuleze aceste schimbări. Au avut mai mult timp pentru evoluția biologică, dacă în Africa se găsesc rămășițe vechi de ADN care nu sunt caracteristice mutațiilor umane europene.

Se poate susține că geneticienii care au folosit ADN-ul mitocondrial au reușit să demonstreze originea femeilor în Africa. Au studiat și cromozomii Y. S-a dovedit că și bărbații vin din Africa.

Datorită studiilor ADN-ului mitocondrial, este posibil să se stabilească nu numai că o persoană provine din Africa, ci și să se determine momentul originii sale. Momentul apariției strămoșului mitocondrial al omenirii a fost stabilit printr-un studiu comparativ al ADN-ului mitocondrial al cimpanzeilor și al oamenilor moderni. Cunoscând rata divergenței mutaționale - 2-4% pe milion de ani - este posibil să se determine timpul de separare a celor două ramuri, cimpanzeul și omul modern. Acest lucru s-a întâmplat acum aproximativ 5 - 7 milioane de ani. Se presupune că rata divergenței mutaționale este constantă.

Eva mitocondrială

Când oamenii vorbesc despre Eva mitocondrială, nu se referă la individ. Ei vorbesc despre apariția prin evoluție a unei întregi populații de indivizi cu caracteristici similare. Se crede că Eva mitocondrială a trăit într-o perioadă de scădere bruscă a numărului strămoșilor noștri, până la aproximativ zece mii de indivizi.

Originea raselor

Studiind ADN-ul mitocondrial al diferitelor populații, geneticienii au sugerat că chiar înainte de a părăsi Africa, populația ancestrală a fost împărțită în trei grupuri, ceea ce a dat naștere la trei rase moderne - africane, caucazoide și mongoloide. Se crede că acest lucru s-a întâmplat cu aproximativ 60 - 70 de mii de ani în urmă.

Comparație între ADN-ul mitocondrial al neandertalienilor și al oamenilor moderni

Informații suplimentare despre originea omului au fost obținute prin compararea textelor genetice ale ADN-ului mitocondrial al oamenilor de Neanderthal și al oamenilor moderni. Oamenii de știință au putut citi textele genetice ale ADN-ului mitocondrial al rămășițelor osoase a doi oameni de Neanderthal. Oasele primului Neanderthal au fost găsite în Peștera Feldhover din Germania. Puțin mai târziu, a fost citit textul genetic al ADN-ului mitocondrial al unui copil de Neanderthal, care a fost găsit în Caucazul de Nord, în peștera Mezhmayskaya. Când se compară ADN-ul mitocondrial al oamenilor moderni și al celor de Neanderthal, s-au găsit diferențe foarte mari. Dacă luăm o secțiune de ADN, atunci din 370 de nucleotide diferă 27. Și dacă comparăm textele genetice ale unei persoane moderne, ADN-ul său mitocondrial, atunci doar opt nucleotide diferă. Se crede că omul de Neanderthal și omul modern sunt ramuri complet separate, evoluția fiecăruia dintre ele a fost independentă una de alta.

La studierea diferenței dintre textele genetice ale ADN-ului mitocondrial al oamenilor de Neanderthal și al oamenilor moderni, a fost stabilită data separării acestor două ramuri. Acest lucru s-a întâmplat cu aproximativ 500 de mii de ani în urmă, iar acum aproximativ 300 de mii de ani a avut loc separarea lor finală. Se crede că oamenii de Neanderthal s-au stabilit în Europa și Asia și au fost înlocuiți de oamenii moderni, care au părăsit Africa 200 de mii de ani mai târziu. Și, în cele din urmă, acum aproximativ 28 - 35 de mii de ani, oamenii de Neanderthal s-au stins. De ce s-a întâmplat acest lucru, în general, nu este încă clar. Poate că nu au suportat competiția cu un tip modern de persoană, sau poate că au existat și alte motive pentru asta.

ADN-ul din mitocondrii este reprezentat de molecule ciclice care nu formează legături cu histonele, în acest sens seamănă cu cromozomii bacterieni.
La om, ADN-ul mitocondrial conține 16,5 mii bp, este complet descifrat. S-a constatat că ADN-ul mitocondral al diferitelor obiecte este foarte omogen, diferența lor constă doar în dimensiunea intronilor și a regiunilor netranscrise. Tot ADN-ul mitocondrial este reprezentat de copii multiple, colectate în grupuri, clustere. Astfel, o mitocondrie de ficat de șobolan poate conține de la 1 până la 50 de molecule de ADN ciclic. Cantitatea totală de ADN mitocondrial per celulă este de aproximativ un procent. Sinteza ADN-ului mitocondrial nu este asociată cu sinteza ADN-ului în nucleu. La fel ca în bacterii, ADN-ul mitocondral este asamblat într-o zonă separată - nucleoid, dimensiunea sa este de aproximativ 0,4 microni în diametru. În mitocondriile lungi, pot exista de la 1 până la 10 nucleoizi. Când o mitocondrie lungă se divide, o secțiune care conține un nucleoid este separată de aceasta (similar cu fisiunea binară a bacteriilor). Cantitatea de ADN din nucleoizii mitocondriali individuali poate varia de 10 ori, în funcție de tipul de celulă. Când mitocondriile se îmbină, componentele lor interne pot fi schimbate.
ARNr și ribozomii mitocondriilor diferă puternic de cei din citoplasmă. Dacă în citoplasmă se găsesc ribozomi din anii 80, atunci ribozomii mitocondriali ai celulelor vegetale aparțin ribozomilor din anii 70 (aceștia constau din subunități 30s și 50s, conțin ARN 16s și 23s caracteristic celulelor procariote), iar ribozomii mai mici (aproximativ) se găsesc în 50 ani. mitocondriile celulare. Sinteza proteinelor are loc în mitoplasma de pe ribozomi. Se oprește, spre deosebire de sinteza pe ribozomii citoplasmatici, sub acțiunea antibioticului cloramfenicol, care suprimă sinteza proteinelor în bacterii.
ARN-urile de transfer sunt de asemenea sintetizate pe genomul mitocondrial; în total, sunt sintetizați 22 de ARNt. Codul triplet al sistemului sintetic mitocondrial este diferit de cel folosit în hialoplasmă. În ciuda prezenței aparent a tuturor componentelor necesare pentru sinteza proteinelor, moleculele mici de ADN mitocondrial nu pot codifica toate proteinele mitocondriale, doar o mică parte dintre ele. Deci ADN-ul are o dimensiune de 15 kb. poate codifica proteine ​​cu o greutate moleculară totală de aproximativ 6x105. În același timp, greutatea moleculară totală a proteinelor unei particule dintr-un ansamblu respirator mitocondrial complet atinge o valoare de aproximativ 2x106.

Orez. Dimensiunile relative ale mitocondriilor din diferite organisme.

De interes sunt observațiile despre soarta mitocondriilor în celulele de drojdie. În condiții aerobe, celulele de drojdie au mitocondrii tipice cu criste bine definite. Când celulele sunt transferate în condiții anaerobe (de exemplu, când sunt reînsămânțate sau când sunt transferate într-o atmosferă de azot), mitocondriile tipice nu se găsesc în citoplasma lor, iar veziculele membranare mici sunt vizibile în schimb. S-a dovedit că în condiții anaerobe, celulele de drojdie nu conțin un lanț respirator complet (nu există citocromi b și a). Când cultura este aerată, are loc o inducere rapidă a biosintezei enzimelor respiratorii, o creștere bruscă a consumului de oxigen și mitocondriile normale apar în citoplasmă.
Așezarea oamenilor pe Pământ

Ecologia consumului. Sănătate: Haplogrup - un grup de haplotipuri similare care au un strămoș comun, în care aceeași mutație a avut loc în ambele haplotipuri...

Când eram încă copil, am întrebat-o pe bunica despre rădăcini, ea a povestit o legendă că străbunicul ei îndepărtat s-a căsătorit cu o fată „locală”. Am devenit interesat de asta și am întreprins câteva cercetări. Veps, localnici din regiunea Vologda, sunt poporul finno-ugric. Pentru a testa cu exactitate această legendă a familiei, am apelat la genetică. Și ea a confirmat legenda familiei.

Haplogrup (în genetica populației umane - o știință care studiază istoria genetică a omenirii) - un grup de haplotipuri similare care au un strămoș comun, în care aceeași mutație a avut loc la ambele haplotipuri. Termenul „haplogrup” este utilizat pe scară largă în genealogia genetică, unde sunt studiate haplogrupurile cromozomiale Y (Y-DNA), mitocondriale (mtDNA) și MHC. Markerii genetici ai ADN-ului Y se transmit cu cromozomul Y exclusiv prin linia paternă (adică de la tată la fii), iar markerii ADNmt prin linia maternă (de la mamă la toți copiii).

ADN-ul mitocondrial (mtDNA) este transmis de la mamă la copil. Deoarece numai femelele pot transmite ADNmt descendenților lor, testarea ADNmt oferă informații despre mamă, mama ei și așa mai departe prin linia maternă directă. Atât bărbații, cât și femeile primesc ADNmt de la mamele lor, astfel încât atât bărbații, cât și femeile pot participa la testarea ADNmt. Deși mutațiile apar în ADNmt, frecvența lor este relativ scăzută. De-a lungul mileniilor, aceste mutații s-au acumulat și, din acest motiv, linia feminină dintr-o familie este diferită genetic de alta. După ce omenirea s-a stabilit pe planetă, mutațiile au continuat să apară aleatoriu în populații larg separate ale rasei umane odinioară unice.

Migrarea haplogrupurilor mitocondriale.

nordul rusesc.

Sunt foarte aproape de istoria, natura și cultura nordului Rusiei. Asta și pentru că de acolo vine bunica mea, care a locuit cu noi și a dedicat mult timp creșterii mele. Dar cred că pentru belaruși proximitatea este și mai mare: până la urmă, nordul rusesc a fost locuit de Krivichi, care au format și nucleul viitorului Belarus. În plus, Pskov și Novgorod sunt centre antice slave, democratice într-o anumită măsură, cu propria lor veche (la fel ca Kiev și Polotsk).

Este suficient să amintim istoria Republicii Pskov Veche și Republicii Novgorod. Multă vreme aceste teritorii au fluctuat între Marele Ducat al Lituaniei și Principatul Moscovei, dar acesta din urmă a preluat inițiativa „colectării pământurilor”. În alte circumstanțe, identitatea acestei regiuni s-ar putea dezvolta într-o naționalitate independentă. Cu toate acestea, mulți se numesc cu mândrie „rușii din nord”. Pe lângă unii bieloruși, ei deosebesc Belarusul de Vest (Lituania, Litvinienii) de Belarusul de Est (Rusyns). Vă rog să nu căutați niciun fundal politic în cuvintele mele.

Dacă în Belarus slavii s-au amestecat cu triburile baltice, atunci în Rusia - cu cele finno-ugrice. Acest lucru a oferit etnia unică a diferitelor regiuni. Parfionov, care vine din satele vecine, a spus foarte precis: „Întotdeauna îmi simt originea. Rusia de Nord - pentru mine este foarte important. Aceasta este ideea mea despre Rusia, caracterul nostru, etica și estetica. La sud de Voronej pentru mine sunt alți ruși. Este curios că în familia mea există Parfenov. Aksinya Parfenova (1800-1904) este bunica lui Kirill Kirillovich Korichev (soțul Alexandrei Alekseevna Zemskova). Cu toate acestea, acest nume de familie este comun, deci poate rude, sau poate nu.

Cherepovets, străbunica în stânga, bunica în dreapta jos, 1957?

Grupul meu mitocondrial este D5a3a.

La secvențierea GVS1 - 16126s, 16136s, 16182s, 16183s, 16189s, 16223T, 16360T, 16362S. Aceasta înseamnă că grupul meu mitocondrial este D5a3a. Acesta este un haplogrup foarte rar, chiar și geneticienii au fost surprinși - aceasta este prima dată când un astfel de grup este determinat în Belarus. În general, D este un grup asiatic. Oamenii de știință scriu că se găsește în bazinele genetice ale unor grupuri etnice din Eurasia de Nord.

Liniile simple D5a3 au fost găsite în tadjici, altaieni, coreeni și ruși din Veliky Novgorod. Toate (cu excepția coreenei) sunt caracterizate de motivul 16126-16136-16360 GVS1, care se găsește și în unele populații din nord-estul Europei.

Satul Annino, 1917, străbunica mea.

Analiza întregului genom a arătat că ADNmt al rusului și al lui Mansi sunt combinați într-un grup separat D5a3a, iar ADNmt al coreeanului este reprezentat de o ramură separată. Vârsta evolutivă a întregului haplogrup D5a3 este de aproximativ 20 de mii de ani (20560 ± 5935), în timp ce gradul de divergență al liniilor de ADNmt D5a3a corespunde cu aproximativ 5 mii de ani (5140 ± 1150). D5 este un grup distinct din Asia de Est.

În Siberia predomină absolut variantele D4. D5 este cel mai numeros și divers în Japonia, Coreea și sudul Chinei. În rândul popoarelor siberiene, diversitatea lui D5 și prezența variantelor sale unice pur etnice au fost remarcate în rândul grupurilor de limbă mongolă din est, inclusiv evencii mongolizați. D5a3 este remarcat într-o variantă arhaică în Coreea.O analiză mai precisă arată vârsta lui D5a3a până la 3000 de ani, dar părintele D5a3 este foarte vechi, există probabil mezolitic.

Cherepovets, 1940

Pe baza datelor disponibile, pare logic să sugerăm originea lui D5a3 undeva în Orientul îndepărtat(între Mongolia și Coreea) și migrarea acesteia spre vest prin Siberia de Sud. Este probabil ca strămoșii mei direcți de sex feminin să fi venit în Europa cu aproximativ trei mii de ani în urmă, având rădăcini în Finlanda, Coreea, printre popoarele locale finno-ugrice: saami, kareliani și vepsieni. Când au fost amestecate cu Krivichi, aceste haplogrupuri au trecut la locuitorii moderni din Vologda și regiunea Novgorod.

Ce este ADN-ul mitocondrial?

ADN-ul mitocondrial (mtDNA) este ADN-ul situat în mitocondrii, organele celulare din celulele eucariote care transformă energia chimică din alimente într-o formă în care celulele o pot folosi - adenozin trifosfat (ATP). ADN-ul mitocondrial este doar o mică parte a ADN-ului dintr-o celulă eucariotă; majoritatea ADN-ului poate fi găsit în nucleul celulei, în plante și alge și în plastide precum cloroplastele.

La om, 16.569 de perechi de baze de ADN mitocondrial codifică pentru un total de 37 de gene. ADN-ul mitocondrial uman a fost prima parte semnificativă a genomului uman care a fost secvențial. La majoritatea speciilor, inclusiv la oameni, ADNmt este moștenit numai de la mamă.

Deoarece ADNmt animal evoluează mai repede decât markerii genetici nucleari, acesta stă la baza filogeneticii și a biologiei evolutive. Acesta a devenit un punct important în antropologie și biogeografie, deoarece vă permite să studiați relația dintre populații.

Ipotezele originii mitocondriilor

Se crede că ADN-ul nuclear și mitocondrial au origini evolutive diferite, cu ADNmt derivat din genomii circulari ai bacteriilor care au fost înghițiți de strămoșii timpurii ai celulelor eucariote moderne. Această teorie se numește teoria endosimbiotică. Se estimează că fiecare mitocondrie conține copii a 2-10 mtADN. În celulele organismelor existente, marea majoritate a proteinelor prezente în mitocondrii (numărând aproximativ 1500 de tipuri diferite la mamifere) sunt codificate de ADN nuclear, dar se crede că genele pentru unele, dacă nu pentru majoritatea, sunt inițial bacteriene; au de când au fost transferate în nucleul eucariot.în timpul evoluţiei.

Sunt discutate motivele pentru care mitocondriile rețin anumite gene. Existența unor organele fără genom la unele specii de origine mitocondrială sugerează că este posibilă pierderea completă a genelor, iar transferul genelor mitocondriale către nucleu are o serie de avantaje. Dificultatea de a orienta produsele proteice hidrofobe produse de la distanță în mitocondrii este una dintre ipotezele pentru care unele gene sunt conservate în ADNmt. Co-localizarea pentru reglarea redox este o altă teorie, care se referă la dezirabilitatea controlului localizat asupra mecanismelor mitocondriale. Analiza recentă a unei game largi de genomi mitocondriali sugerează că ambele aceste funcții pot dicta reținerea genelor mitocondriale.

Expertiza genetică a mtDNA

În majoritatea organismelor multicelulare, ADNmt este moștenit de la mamă (linia maternă). Mecanismele pentru aceasta includ reproducerea simplă (un ovul conține în medie 200.000 de molecule de ADNmt, în timp ce spermatozoidul uman sănătos conține în medie 5 molecule), degradarea spermatozoizilor de ADNmt în tractul reproducător masculin, într-un ovul fertilizat și, în cel puțin un puţine organisme, incapacitatea de a ADNmt al spermatozoizilor să pătrundă în ovul. Oricare ar fi mecanismul, aceasta este moștenirea unipolară - moștenirea ADNmt - care apare la majoritatea animalelor, plantelor și ciupercilor.

moștenirea maternă

În reproducerea sexuală, mitocondriile sunt de obicei moștenite exclusiv de la mamă; mitocondriile din spermatozoizii de mamifere sunt de obicei distruse de ovul după fertilizare. În plus, majoritatea mitocondriilor sunt prezente la baza cozii spermatozoizilor, care este folosită pentru a propulsa spermatozoizii; uneori coada se pierde în timpul fertilizării. În 1999, s-a raportat că mitocondriile spermatozoizilor paterni (conținând ADNmt) au fost marcate cu ubiquitină pentru distrugerea ulterioară în embrion. Unele metode de fertilizare in vitro, în special injectarea spermatozoizilor în ovocit, pot interfera cu acest lucru.

Faptul că ADN-ul mitocondrial este moștenit matern le permite genealogiștilor să urmărească linia maternă mult înapoi în timp. (ADN-ul cromozomial Y este moștenit patern, utilizat într-un mod similar pentru a determina istoricul patriliniar.) Acest lucru se face de obicei pe ADN-ul mitocondrial uman prin secvențierea regiunii de control hipervariabilă (HVR1 sau HVR2) și, uneori, a întregii molecule de ADN mitocondrial ca ADN genealogic. Test. De exemplu, HVR1 are aproximativ 440 de perechi de baze. Aceste 440 de perechi sunt apoi comparate cu regiunile de control ale altor indivizi (fie indivizi specifici, fie subiecți din baza de date) pentru a determina descendența maternă. Cea mai comună comparație este cu secvența de referință Cambridge revizuită. Vila și colab. au publicat studii despre asemănarea matriliniară a câinilor domestici și a lupilor. Conceptul de Eve mitocondrială se bazează pe același tip de analiză, încercând să descopere originea umanității, urmărind originea înapoi în timp.

ADNmt este foarte conservat, iar ratele sale relativ lente de mutație (comparativ cu alte regiuni ale ADN-ului, cum ar fi microsateliții) îl fac util pentru studiul relațiilor evolutive - filogenia organismelor. Biologii pot identifica și apoi compara secvențele de ADNmt între specii și pot folosi comparațiile pentru a construi un arbore evolutiv pentru speciile studiate. Cu toate acestea, din cauza ratelor lente de mutație pe care le experimentează, este adesea dificil să distingem specii strâns înrudite în orice măsură, așa că trebuie utilizate alte metode de analiză.

Mutații ADN mitocondrial

Indivizii supuși moștenirii unidirecționale și aproape nicio recombinare nu poate fi de așteptat să sufere clichetul lui Muller, o acumulare de mutații dăunătoare până când funcționalitatea este pierdută. Populațiile animale de mitocondrii scapă de această acumulare datorită unui proces de dezvoltare cunoscut sub numele de blocaj ADNmt. Blocajul folosește procese stocastice în celulă pentru a crește variabilitatea de la celulă la celulă a încărcăturii mutante pe măsură ce organismul se dezvoltă astfel încât un singur ou cu ADNmt mutant creează un embrion în care celule diferite au sarcini mutante diferite. Nivelul celular poate fi apoi ales pentru a elimina acele celule cu mai mult ADNmt mutant, rezultând o stabilizare sau o reducere a încărcăturii mutante între generații. Mecanismul de bază al blocajului este discutat cu metastadiificarea matematică și experimentală recentă și oferă dovezi pentru o combinație a defalcării aleatorii a ADNmt în diviziuni celulare și schimbarea aleatorie a moleculelor de ADNmt în interiorul celulei.

moștenirea paternă

Moștenirea ADNmt unidirecțională bifold este observată la bivalve. La aceste specii, femelele au un singur tip de ADNmt (F), în timp ce masculii au ADNmt de tip F în celulele lor somatice, dar ADNmt de tip M (care poate fi până la 30% divergent) în celulele germinale. În mitocondriile moștenite de mamă, au fost raportate în plus unele insecte, cum ar fi muștele de fructe, albinele și cicadele periodice.

Moștenirea mitocondrială masculină a fost descoperită recent la puii de Plymouth Rock. Dovezile susțin cazuri rare de moștenire mitocondrială masculină la unele mamifere. În special, există cazuri documentate la șoareci în care mitocondriile moștenite de masculi au fost ulterior respinse. În plus, a fost găsit la oi, precum și la bovine clonate. A fost găsit odată în corpul unui bărbat.

În timp ce multe dintre aceste cazuri implică clonarea embrionilor sau respingerea ulterioară a mitocondriilor paterne, altele documentează moștenirea și persistența in vivo în laborator.

Donarea mitocondrială

Metoda FIV, cunoscută sub numele de donație mitocondrială sau terapie de înlocuire mitocondrială (MRT), are ca rezultat descendenți care conțin ADNmt de la donatori de sex feminin și ADN nuclear de la mamă și tată. În procedura de transfer al fusului, un nucleu de ou este injectat în citoplasma unui ou de la o femeie donatoare căreia i s-a îndepărtat nucleul, dar încă conține ADNmt al donatorului de sex feminin. Ovulul compozit este apoi fertilizat cu spermatozoizii masculului. Această procedură este utilizată atunci când o femeie cu mitocondrii defecte genetic dorește să producă descendenți cu mitocondrii sănătoase. Primul copil cunoscut care s-a născut dintr-o donație mitocondrială a fost un băiat născut într-un cuplu iordanian în Mexic pe 6 aprilie 2016.

Structura ADN-ului mitocondrial

În majoritatea organismelor multicelulare, mtDNA - sau mitogenomul - este organizat ca un ADN rotund, închis circular, dublu catenar. Dar în multe organisme unicelulare (de exemplu, tetrahimene sau algele verzi Chlamydomonas reinhardtii) și rareori în organisme multicelulare (de exemplu, unele specii de cnidari), ADNmt se găsește ca ADN organizat liniar. Majoritatea acestor ADNmt liniari au telomeri independenți de telomerază (adică capetele ADN-ului liniar) cu diferite moduri de replicare, ceea ce le-a făcut subiecte interesante de studiu, deoarece multe dintre aceste organisme unicelulare cu ADNmt liniar sunt agenți patogeni cunoscuți.

Pentru ADN-ul mitocondrial uman (și probabil pentru metazoare), 100-10.000 de copii individuale de ADNmt sunt de obicei prezente într-o celulă somatică (ouăle și spermatozoizii sunt excepții). La mamifere, fiecare moleculă circulară dublu catenară de ADNmt constă din 15.000-17.000 de perechi de baze. Cele două catene de ADNmt diferă prin conținutul lor de nucleotide, catena bogată în guanide se numește lanț greu (sau catena H) iar catena bogată în cinozină este numită lanț ușor (sau catena L). Lanțul greu codifică 28 de gene și lanțul ușor codifică 9 gene, pentru un total de 37 de gene. Din cele 37 de gene, 13 sunt pentru proteine ​​(polipeptide), 22 pentru transmiterea ARN (ARNt) și două pentru subunități mici și mari de ARN ribozomal (ARNr). Mitogenomul uman conține gene care se suprapun (ATP8 și ATP6, precum și ND4L și ND4: vezi harta genomului mitocondriilor umane), care este rar în genomul animalelor. Modelul de 37 de gene se găsește, de asemenea, printre majoritatea metazoarelor, deși, în unele cazuri, una sau mai multe dintre aceste gene lipsesc și intervalul de mărime ADNmt este mai mare. Mai mult schimbare mai mare Conținutul și dimensiunea genelor mtDNA există printre ciuperci și plante, deși pare să existe un subset de bază de gene care este prezent în toate eucariotele (cu excepția câtorva care nu au mitocondrii deloc). Unele specii de plante au ADNmt uriaș (până la 2.500.000 de perechi de baze per moleculă de ADNmt), dar, în mod surprinzător, chiar și aceste ADNmt uriașe conțin același număr și același tip de gene ca și plantele înrudite cu ADNmt mult mai mic.

Genomul mitocondrial al castraveților (Cucumis Sativus) este format din trei cromozomi circulari (1556, 84 și 45 kb lungime) care sunt complet sau în mare măsură autonomi în ceea ce privește replicarea lor.

În genomul mitocondrial au fost găsite șase tipuri majore de genom. Aceste tipuri de genomi au fost clasificate de „Kolesnikov și Gerasimov (2012)” și diferă în diferite moduri, cum ar fi genomul circular versus genom liniar, dimensiunea genomului, prezența intronilor sau structuri plasmide similare și dacă materialul genetic este o moleculă singulară, o colecție de molecule omogene sau eterogene.

Descifrarea genomului animal

În celulele animale, există un singur tip de genom mitocondrial. Acest genom conține o moleculă circulară între 11-28 kbp de material genetic (tip 1).

Descifrarea genomului plantei

Există trei tipuri diferite de genom găsite în plante și ciuperci. Primul tip este un genom circular care are introni (tipul 2) cu o lungime cuprinsă între 19 și 1000 kbp. Al doilea tip de genom este un genom circular (aproximativ 20-1000 kbp), care are și o structură plasmidică (1kb) (tip 3). Ultimul tip de genom care poate fi găsit în plante și ciuperci este un genom liniar compus din molecule de ADN omogene (tip 5).

Descifrarea genomului protistului

Protistii contin o mare varietate de genomi mitocondriali, care includ cinci tipuri diferite. Tipul 2, tipul 3 și tipul 5 menționat în genomul plantelor și fungilor există și în unele protozoare, precum și în două tipuri de genom unice. Prima dintre acestea este o colecție eterogenă de molecule circulare de ADN (tip 4), iar tipul final de genom găsit la protisti este o colecție eterogenă de molecule liniare (tip 6). Tipurile de genom 4 și 6 variază de la 1 la 200 kb.,

Transferul de gene endosimbiotice, procesul de gene codificate în genomul mitocondrial, este efectuat în principal de genomul celulei, explicând probabil de ce organisme mai complexe, cum ar fi oamenii, au genomi mitocondriali mai mici decât organismele mai simple, cum ar fi protozoarele.

Replicarea ADN mitocondrial

ADN-ul mitocondrial este replicat de complexul ADN polimerază gamma, care constă dintr-o ADN polimerază catalitică de 140 kD codificată de gena POLG și două subunități accesorii de 55 kD codificate de gena POLG2. Dispozitivul de replicare este format din ADN polimerază, TWINKLE și proteine ​​SSB mitocondriale. TWINKLE este o elicază care desfășoară lungimi scurte de dsDNA într-o direcție de 5" până la 3".

În timpul embriogenezei, replicarea ADNmt este strâns reglată de la ovocitul fertilizat prin embrionul preimplantare. Reducerea efectivă a numărului de celule din fiecare celulă ADNmt joacă un rol în blocajul mitocondrial, exploatând variabilitatea de la celulă la celulă pentru a îmbunătăți moștenirea mutațiilor dăunătoare. În stadiul de blastocite, începutul replicării ADNmt este specific pentru celulele troftocodificatoare. În schimb, celulele din masa celulară interioară restricționează replicarea ADNmt până când primesc semnale pentru a se diferenția în tipuri specifice de celule.

Transcrierea ADN-ului mitocondrial

În mitocondriile animale, fiecare catenă de ADN este transcrisă continuu și produce o moleculă de ARN policistronic. Între majoritatea (dar nu toate) regiunile care codifică proteine, ARNt-urile sunt prezente (vezi Harta genomului mitocondrial uman). În timpul transcripției, ARNt capătă o formă L caracteristică care este recunoscută și scindată de enzime specifice. La procesarea ARN-ului mitocondrial, fragmentele individuale de ARNm, ARNr și ARNt sunt eliberate din transcriptul primar. Astfel, ARNt-urile stivuite acționează ca punctuații secundare.

Boli mitocondriale

Ideea că ADNmt este deosebit de susceptibil la speciile reactive de oxigen generate de lanțul respirator datorită proximității sale rămâne controversată. ADNmt nu acumulează mai multe baze oxidative decât ADN-ul nuclear. S-a raportat că cel puțin unele tipuri de leziuni oxidative ale ADN-ului sunt reparate mai eficient în mitocondrii decât în ​​nucleu. ADNmt este ambalat cu proteine ​​care par a fi la fel de protectoare ca și proteinele cromatinei nucleare. Mai mult, mitocondriile au dezvoltat un mecanism unic care menține integritatea ADNmt prin degradarea genomilor prea deteriorați, urmată de replicarea ADNmt intact/reparat. Acest mecanism este absent în nucleu și este activat de puținele copii ale ADNmt prezente în mitocondrii. Rezultatul unei mutații în ADNmt poate fi o modificare a instrucțiunilor de codificare pentru unele proteine, care poate afecta metabolismul și/sau fitnessul organismului.

Mutațiile ADN mitocondrial pot duce la o serie de boli, inclusiv intoleranța la efort și sindromul Kearns-Sayre (KSS), care determină o persoană să-și piardă funcția completă a mișcărilor inimii, ochilor și musculare. Unele dovezi sugerează că acestea pot contribui semnificativ la procesul de îmbătrânire și sunt asociate cu patologia legată de vârstă. În special, în contextul bolii, proporția de molecule mutante de ADNmt într-o celulă este denumită heteroplasmă. Distribuțiile heteroplasmei în interiorul și între celule dictează debutul și severitatea bolii și sunt influențate de procese stohastice complexe din interiorul celulei și în timpul dezvoltării.

Mutațiile în ARNt-urile mitocondriale pot fi responsabile pentru boli severe, cum ar fi sindroamele MELAS și MERRF.

Mutațiile genelor nucleare care codifică proteinele pe care mitocondriile le folosesc pot contribui, de asemenea, la boala mitocondrială. Aceste boli nu urmează modele de moștenire mitocondrială, ci urmează modele de moștenire mendeliană.

Recent, mutațiile din ADNmt au fost folosite pentru a ajuta la diagnosticarea cancerului de prostată la pacienții cu biopsie negativă.

Mecanismul îmbătrânirii

Deși ideea este controversată, unele dovezi sugerează o legătură între îmbătrânire și disfuncția genomului mitocondrial. În esență, mutațiile din ADNmt perturbă echilibrul atent al producției de oxigen reactiv (ROS) și al producției enzimatice de ROS (de către enzime precum superoxid dismutaza, catalaza, glutation peroxidază și altele). Cu toate acestea, unele mutații care cresc producția de ROS (de exemplu, prin reducerea apărării antioxidante) la viermi cresc mai degrabă decât le scad longevitatea. În plus, șobolanii goi, rozătoarele de mărimea unui șoarece, trăiesc de aproximativ opt ori mai mult decât șoarecii, în ciuda reducerii, în comparație cu șoarecii, a apărării antioxidante și a daunelor oxidative crescute la biomolecule.

La un moment dat, s-a considerat că există o buclă de feedback pozitiv la locul de muncă („Cercul vicios”); pe măsură ce ADN-ul mitocondrial acumulează daune genetice cauzate de radicalii liberi, mitocondriile își pierd funcția și eliberează radicali liberi în citosol. Scăderea funcției mitocondriale reduce eficiența metabolică generală. Cu toate acestea, acest concept a fost infirmat definitiv atunci când șoarecii modificați genetic pentru a acumula mutații ADNmt la o rată crescută s-au dovedit a îmbătrâni prematur, dar țesuturile lor nu produc mai mult ROS, așa cum a prezis ipoteza ciclului vicios. Sprijinind relația dintre longevitate și ADN-ul mitocondrial, unele studii au găsit corelații între proprietățile biochimice ale ADN-ului mitocondrial și longevitatea speciilor. Se fac cercetări ample pentru a explora în continuare această legătură și metodele anti-îmbătrânire. În prezent, terapia genică și suplimentele nutraceutice sunt domenii populare ale cercetării actuale. Bjelakovic și colab. au analizat rezultatele a 78 de studii între 1977 și 2012, care au implicat un total de 296.707 de participanți, au concluzionat că suplimentele cu antioxidanți nu reduc mortalitatea de orice cauză și nu prelungesc speranța de viață, în timp ce unele dintre ele, cum ar fi beta-carotenul, vitamina E și doze mai mari de vitamina A, poate crește de fapt mortalitatea.

Punctele de întrerupere de ștergere sunt adesea găsite în sau în apropierea regiunilor care prezintă conformații non-canonice (non-B), și anume ace de păr, cruciforme și caracteristici asemănătoare trifoiului. În plus, există dovezi care susțin implicarea regiunilor curbilinii elicoidale și a tetradelor G lungi în detectarea evenimentelor de instabilitate. În plus, puncte de densitate mai mare au fost observate în mod consecvent în regiunile cu GC oblic și în imediata apropiere a fragmentului degenerat al secvenței YMMYMNNMMHM.

Cum este ADN-ul mitocondrial diferit de nuclear?

Spre deosebire de ADN-ul nuclear, care este moștenit de la ambii părinți și în care genele sunt rearanjate prin recombinare, de obicei nu există nicio modificare a ADNmt de la părinte la urmaș. În timp ce mtDNA se recombină, de asemenea, face acest lucru cu copii ale lui însuși în aceeași mitocondrie. Din această cauză, rata de mutație a ADNmt animal este mai mare decât cea a ADN-ului nuclear. ADNmt este un instrument puternic pentru urmărirea ascendenței prin femele (matrilineage) și a fost folosit în acest rol pentru a urmări descendența multor specii cu sute de generații în urmă.

Rata rapidă de mutație (la animale) face ADNmt util pentru evaluarea relațiilor genetice ale indivizilor sau grupurilor din cadrul unei specii și pentru identificarea și cuantificarea filogeniei (relații evolutive) între diferite specii. Pentru a face acest lucru, biologii determină și apoi compară secvența ADNmt de la diferiți indivizi sau specii. Datele de comparație sunt utilizate pentru a construi o rețea de relații între secvențe care oferă o estimare a relațiilor dintre indivizi sau specii de la care a fost prelevat ADNmt. ADNmt poate fi folosit pentru a evalua relațiile dintre speciile apropiate și cele îndepărtate. Datorită frecvenței ridicate a mutațiilor ADNmt la animale, codonii de poziție 3 se schimbă relativ rapid și oferă astfel informații despre distanțele genetice dintre indivizi sau specii strâns înrudite. Pe de altă parte, rata de substituție a proteinelor mt este foarte lentă, astfel încât modificările aminoacizilor se acumulează lent (cu modificări lente corespunzătoare în pozițiile codonului 1 și 2) și oferă astfel informații despre distanțele genetice ale rudelor îndepărtate. Modelele statistice care țin cont de frecvența de substituție între pozițiile codonilor separat pot fi, prin urmare, utilizate pentru a estima simultan o filogenie care conține atât specii strâns înrudite, cât și specii îndepărtate.

Istoria descoperirii mtDNA

ADN-ul mitocondrial a fost descoperit în anii 1960 de Margit M. K. Nas și Sylvan Nas folosind microscopia electronică ca fire sensibile la DNază în mitocondrii și de Ellen Hasbrunner, Hans Tuppi și Gottfried Schatz din analize biochimice pe fracții mitocondriale înalt purificate.

ADN-ul mitocondrial a fost recunoscut pentru prima dată în 1996, în timpul procesului Tennessee v. Paul Ware. În 1998, în Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynn Rorrer, ADN-ul mitocondrial a fost admis ca probe pentru prima dată în statul Pennsylvania. Cazul a fost prezentat în episodul 55 din sezonul 5 din seria True of Dramatic Forensic Court Cases (Sezonul 5).

ADN-ul mitocondrial a fost recunoscut pentru prima dată în California în timpul urmăririi cu succes a lui David Westerfield pentru răpirea și uciderea în 2002 a Danielle van Dam, în vârstă de 7 ani, în San Diego: a fost folosit pentru a identifica atât oameni, cât și câini. Acesta a fost primul proces din SUA pentru a rezolva ADN-ul canin.

baze de date mtDNA

Au fost create mai multe baze de date specializate pentru a colecta secvențe de genom mitocondrial și alte informații. Deși majoritatea se concentrează pe date secvențe, unele dintre ele includ informații filogenetice sau funcționale.

• MitoSatPlant: Mitocondrial Viridiplant Microsatellite Database.

• MitoBreak: Baza de date pentru punctele de control ADN mitocondrial.

• MitoFish și MitoAnnotator: o bază de date a genomului mitocondrial al peștilor. Vezi, de asemenea, Cawthorn et al.

• MitoZoa 2.0: bază de date pentru analiza comparativă și evolutivă a genomului mitocondrial (nu mai este disponibilă)

• InterMitoBase: o bază de date adnotată și o platformă pentru analiza interacțiunilor proteină-proteină pentru mitocondriile umane (ultima actualizare în 2010, dar încă nu este disponibilă)

• Mitome: bază de date pentru genomica mitocondrială comparativă în metazoare (nu mai este disponibilă)

• MitoRes: o resursă pentru genele mitocondriale codificate nuclear și produsele lor în metazoare (nu mai este actualizată)

Există mai multe baze de date specializate care raportează polimorfisme și mutații în ADN-ul mitocondrial uman, împreună cu o evaluare a patogenității acestora.

• MITOMAP: un compendiu de polimorfisme și mutații în ADN-ul mitocondrial uman.

• MitImpact: Colecție de predicții predictive de patogenitate pentru toate modificările nucleotidelor care provoacă substituții non-sinonime în genele care codifică proteinele mitocondriale umane.

Exemple de moștenire mitocondrială sunt rezistența la antibiotice în celulele de drojdie și sterilitatea masculină (absența gameților masculini) la un număr de plante, cum ar fi porumbul.

La om (probabil) - astfel de malformații precum fuziunea extremităților inferioare și spina bifida.

moștenirea centriolară

Exemple de semne transmise prin centrioli nu au fost încă stabilite.

În citoplasma bacteriilor, mici molecule circulare de ADN sunt localizate autonom - plasmide. Au fost izolate trei tipuri de plasmide.

Plasmide care conțin factor F (factor de fertilitate): F+ (masculin), F- (feminin). În timpul conjugării, factorul poate trece de la o bacterie la alta, adică. schimbări de gen.

Plasmidele care conțin factorul R (factor de rezistență) determină rezistența la antibiotice. De asemenea, pot trece de la o bacterie la alta.

Plasmide colicinogene - codifică proteine ​​care au un efect dăunător asupra indivizilor din aceeași specie care nu conțin colicinogeni (bacteriile ucigașe).

Genele nucleului și citoplasmei interacționează între ele. Ele se bazează pe forme cunoscute de interacțiune ale genelor non-alelice, cum ar fi epistasis (de exemplu, genele nucleare suprimă genele citoplasmatice).

De asemenea este si pseudocitoplasmatică ereditatea datorată prezenței simbioților în celule – bacterii sau viruși. Deci, Drosophila are o cursă cu sensibilitate crescută la CO 2. În celulele acestei rase există viruși care determină această proprietate.

Unii ciliati-pantofi („ucigași”) secretă substanțe care au un efect dăunător asupra altor indivizi din aceeași specie. Bacteriile se găsesc în celulele lor.

La șoareci, există o rasă cu predispoziție ereditară la cancer de sân. Transmiterea are loc prin laptele matern care conține viruși. Dacă excludem hrănirea puilor cu acest lapte, atunci nu va exista nicio predispoziție la cancer și invers, dacă urmașii unei rase sănătoase sunt hrăniți cu acest lapte, atunci ei vor dezvolta o predispoziție la cancer.

Variabilitate

variabilitate - proprietatea organismelor vii de a modifica atât informațiile foarte ereditare primite de la părinți, cât și procesul de implementare a acesteia în cursul ontogenezei.

Există trei tipuri de variabilitate:

fenotipic,

ontogenetic,

genotipic.

Variabilitatea fenotipică sau modificarea - modificarea fenotipului ca răspuns la acțiunea factorilor de mediu. Acest tip de variabilitate a fost identificat de C. Darwin și numit de el „ anumit". Trăsăturile dobândite în timpul ontogenezei nu sunt moștenite. Se numesc limitele de variabilitate ale unei trăsături norma de reactie. Viteza de reacție este moștenită. Poate fi lat sau îngust. (Dă exemple.)

Pentru procesul evolutiv, variabilitatea fenotipică este de mare importanţă, deoarece. selecția naturală a indivizilor din natură se bazează pe fenotip.

ontogenetic variabilitate - o schimbare regulată a genotipului și fenotipului în timpul ontogenezei.

Modificări ale fenotipului corpului uman în procesul de creștere, apariția caracteristicilor sexuale secundare sunt exemple de variabilitate ontogenetică.

O schimbare regulată a genotipului în timpul ontogenezei a fost descoperită recent. Cu toate acestea, puține astfel de exemple sunt cunoscute. Astfel, proteinele imunoglobulinei la șoareci constau din două fracții: V (variabilă) și C (constantă). În embrionii de șoarece, genele care îi codifică sunt situate la o distanță destul de mare unul de celălalt:

La șoarecii adulți, aceste gene sunt conectate și funcționează ca una:

Variabilitatea genotipică din cauza modificării genotipului. Ch. Darwin a numit acest tip de variabilitate „ incert". Aceasta este variabilitatea ereditară (transmisă prin moștenire).

Variabilitatea genotipică este împărțită în două tipuri: combinativ și mutațional .

Variabilitatea combinației datorită recombinării materialului genetic existent.

Există trei surse de variabilitate combinativă în natură:

1) divergența independentă a cromozomilor în meioză (numărul de combinații este

2 n , unde n este numărul de cromozomi din setul haploid);

2) încrucișare (schimb de regiuni omoloage între omologi

cromozomi);

3) combinație aleatorie de cromozomi în timpul fertilizării.

Toate acestea conduc la o mare varietate de genotipuri și fenotipuri, care, la rândul lor, asigură adaptabilitatea ridicată a speciilor.

In nucleu mutațională variabilitatea constă în restructurarea aparatului genetic.