Mitokondrier har sitt eget DNA. Mitokondriellt DNA. Jämförelse av mitokondriellt DNA från neandertalare och moderna människor

Historiskt har den första studien av detta slag utförts med mitokondrie-DNA. Forskare tog ett prov från infödingarna i Afrika, Asien, Europa, Amerika, och i detta, initialt lilla, prov jämförde mitokondriella DNA från olika individer med varandra. De fann att mitokondriell DNA-mångfald är högst i Afrika. Och eftersom det är känt att mutationshändelser kan förändra typen av mitokondrie-DNA, och det också är känt hur det kan förändras, så är det därför möjligt att säga vilka typer av människor som kan mutera från vilka. Av alla människor som DNA-testades var det afrikanerna som fann mycket större variation. Mitokondriella DNA-typer på andra kontinenter var mindre olika. Detta innebär att afrikaner har haft mer tid på sig att samla dessa förändringar. De hade mer tid för biologisk evolution, om det är i Afrika som man hittar forntida DNA-rester som inte är karakteristiska för europeiska mänskliga mutationer.

Det kan hävdas att genetiker som använder mitokondrie-DNA lyckades bevisa kvinnors ursprung i Afrika. De studerade också Y-kromosomer. Det visade sig att män också kommer från Afrika.

Tack vare studier av mitokondrie-DNA är det möjligt att fastställa inte bara att en person härstammar från Afrika, utan också att fastställa tidpunkten för hans ursprung. Tidpunkten för uppkomsten av mänsklighetens mitokondriella förmoder fastställdes genom en jämförande studie av mitokondriella DNA hos schimpanser och moderna människor. Genom att känna till graden av mutationsdivergens - 2-4% per miljon år - är det möjligt att bestämma tidpunkten för separation av de två grenarna, schimpansen och den moderna människan. Detta hände för cirka 5-7 miljoner år sedan. Graden av mutationsdivergens antas vara konstant.

Mitokondriell Eva

När människor talar om mitokondriella Eva, menar de inte individen. De talar om uppkomsten genom evolution av en hel population av individer med liknande egenskaper. Man tror att mitokondriella Eva levde under en period av kraftig nedgång i antalet av våra förfäder, till cirka tio tusen individer.

Rasernas ursprung

Genom att studera mitokondrie-DNA från olika populationer, föreslog genetiker att redan innan de lämnade Afrika var förfädernas befolkning uppdelad i tre grupper, vilket gav upphov till tre moderna raser - afrikanska, kaukasoida och mongoloida. Man tror att detta hände för ungefär 60 - 70 tusen år sedan.

Jämförelse av mitokondriellt DNA från neandertalare och moderna människor

Ytterligare information om människans ursprung erhölls genom att jämföra de genetiska texterna av mitokondriella DNA från neandertalaren och moderna människor. Forskare kunde läsa de genetiska texterna av mitokondriella DNA från benrester från två neandertalare. Benen från den första neandertalaren hittades i Feldhovergrottan i Tyskland. Lite senare lästes den genetiska texten av mitokondriella DNA från ett neandertalbarn, som hittades i norra Kaukasus i Mezhmayskaya-grottan. När man jämförde mitokondrie-DNA hos moderna människor och neandertalare fann man mycket stora skillnader. Om vi ​​tar en sektion av DNA, så av 370 nukleotider, skiljer sig 27. Och om vi jämför en modern persons genetiska texter, hans mitokondrie-DNA, så skiljer sig bara åtta nukleotider. Man tror att neandertalaren och den moderna människan är helt separata grenar, utvecklingen av var och en av dem var oberoende av varandra.

När man studerade skillnaden i de genetiska texterna för mitokondriella DNA från neandertalare och moderna människor, fastställdes datumet för separationen av dessa två grenar. Detta hände för omkring 500 tusen år sedan, och för omkring 300 tusen år sedan ägde deras slutliga separation rum. Man tror att neandertalarna bosatte sig i Europa och Asien och ersattes av moderna människor, som lämnade Afrika 200 tusen år senare. Och slutligen, för cirka 28 - 35 tusen år sedan, dog neandertalarna ut. Varför detta hände i allmänhet är ännu inte klart. Kanske kunde de inte stå ut med konkurrensen med en modern typ av människa, eller så fanns det andra skäl till detta.

DNA i mitokondrier representeras av cykliska molekyler som inte bildar bindningar med histoner, i detta avseende liknar de bakteriella kromosomer.
Hos människor innehåller mitokondriellt DNA 16,5 tusen bp, det är helt dechiffrerat. Det visade sig att det mitokondrala DNA:t för olika objekt är mycket homogent, deras skillnad ligger bara i storleken på introner och icke-transkriberade regioner. Allt mitokondrie-DNA representeras av flera kopior, samlade i grupper, kluster. Således kan en råttlevermitokondrier innehålla från 1 till 50 cykliska DNA-molekyler. Den totala mängden mitokondrie-DNA per cell är cirka en procent. Syntes av mitokondrie-DNA är inte associerad med DNA-syntes i kärnan. Precis som i bakterier är mitokondralt DNA samlat i en separat zon - nukleoiden, dess storlek är cirka 0,4 mikrometer i diameter. I långa mitokondrier kan det finnas från 1 till 10 nukleoider. När en lång mitokondrie delar sig separeras en sektion som innehåller en nukleoid från den (liknande den binära klyvningen av bakterier). Mängden DNA i enskilda mitokondriella nukleoider kan variera med 10 gånger beroende på celltyp. När mitokondrier smälter samman kan deras inre komponenter bytas ut.
rRNA och ribosomer av mitokondrier skiljer sig kraftigt från de i cytoplasman. Om 80-talets ribosomer finns i cytoplasman, så hör mitokondriella ribosomer av växtceller till 70-talets ribosomer (de består av 30- och 50-talssubenheter, innehåller 16- och 23-tals RNA som är karakteristiska för prokaryota celler), och mindre ribosomer (omkring 50-talet) finns i djur. cellmitokondrier. Proteinsyntes sker i mitoplasman på ribosomer. Den stoppar, i motsats till syntesen på cytoplasmatiska ribosomer, under verkan av antibiotikumet kloramfenikol, som undertrycker proteinsyntesen i bakterier.
Transfer-RNA syntetiseras också på mitokondriernas genom; totalt syntetiseras 22 tRNA. Triplettkoden för det mitokondriella syntetiska systemet skiljer sig från den som används i hyaloplasman. Trots närvaron av till synes alla komponenter som är nödvändiga för proteinsyntes, kan små mitokondriella DNA-molekyler inte koda för alla mitokondriella proteiner, bara en liten del av dem. Så DNA är 15 kb stort. kan koda för proteiner med en total molekylvikt på cirka 6x105. Samtidigt når den totala molekylvikten för proteinerna i en partikel av en komplett mitokondriell andningsensemble ett värde av cirka 2x106.

Ris. Relativa storlekar av mitokondrier i olika organismer.

Av intresse är observationer av mitokondriernas öde i jästceller. Under aeroba förhållanden har jästceller typiska mitokondrier med väldefinierade cristae. När celler överförs till anaeroba förhållanden (till exempel när de sås om eller när de överförs till en kväveatmosfär) finns inte typiska mitokondrier i deras cytoplasma, och små membranvesiklar syns istället. Det visade sig att under anaeroba förhållanden innehåller jästceller inte en komplett andningskedja (det finns inga cytokrom b och a). När kulturen luftas sker en snabb induktion av biosyntesen av respiratoriska enzymer, en kraftig ökning av syreförbrukningen och normala mitokondrier uppträder i cytoplasman.
Bosättning av människor på jorden

Konsumtionens ekologi. Hälsa: Haplogrupp - en grupp liknande haplotyper som har en gemensam förfader, där samma mutation ägde rum i båda haplotyperna ...

När jag fortfarande var barn frågade jag min mormor om rötterna, hon berättade för en legend att hennes avlägsna farfars far gifte sig med en "lokal" tjej. Jag blev intresserad av detta och gjorde lite research. Veps, lokalt i Vologda-regionen, är det finsk-ugriska folket. För att exakt testa denna familjelegend vände jag mig till genetik. Och hon bekräftade familjelegenden.

Haplogroup (i mänsklig befolkningsgenetik - en vetenskap som studerar mänsklighetens genetiska historia) - en grupp liknande haplotyper som har en gemensam förfader, där samma mutation ägde rum i båda haplotyperna. Termen "haplogrupp" används ofta inom genetisk genealogi, där Y-kromosomala (Y-DNA), mitokondriella (mtDNA) och MHC haplogrupper studeras. Genetiska markörer för Y-DNA överförs med Y-kromosomen uteslutande genom faderlinjen (det vill säga från far till söner), och mtDNA-markörer genom moderlinjen (från mor till alla barn).

Mitokondrie-DNA (mtDNA) överförs från mor till barn. Eftersom endast honor kan överföra mtDNA till sin avkomma, ger mtDNA-testning information om mamman, hennes mamma och så vidare genom den direkta moderlinjen. Både män och kvinnor får mtDNA från sina mödrar, så både män och kvinnor kan delta i mtDNA-testning. Även om mutationer förekommer i mtDNA, är deras frekvens relativt låg. Under årtusendena har dessa mutationer ackumulerats, och av denna anledning är den kvinnliga linjen i en familj genetiskt olik en annan. Efter att mänskligheten bosatte sig på planeten, fortsatte mutationer att uppträda slumpmässigt i vitt åtskilda populationer av den en gång enda mänskliga rasen.

Migration av mitokondriella haplogrupper.

ryska norra.

Jag är väldigt nära historien, naturen och kulturen i den ryska norra. Det beror också på att min mormor kommer därifrån, som bodde hos oss och ägnade mycket tid åt min uppväxt. Men jag tror att för vitryssarna är närheten ännu större: trots allt var den ryska norra bebodd av Krivichi, som också utgjorde kärnan i det framtida Vitryssland. Dessutom är Pskov och Novgorod gamla slaviska centra, demokratiska till viss del, med sin egen veche (precis som Kiev och Polotsk).

Det räcker med att påminna om Pskov Veche-republikens och Novgorodrepublikens historia. Länge fluktuerade dessa territorier mellan Storhertigdömet Litauen och Furstendömet Moskva, men det senare tog initiativet till att "samla land". Under andra omständigheter kan denna regions identitet utvecklas till en självständig nationalitet. Många kallar sig dock stolt för "nordryssar". Förutom vissa vitryssar skiljer de västra Vitryssland (Litauen, litviner) från östra Vitryssland (Rusyns). Jag ber er att inte leta efter någon politisk bakgrund i mina ord.

Om i Vitryssland blandade slaverna med de baltiska stammarna, så i Ryssland - med de finsk-ugriska. Detta gav olika regioners unika etnicitet. Parfyonov, som kommer från närliggande byar, sa mycket exakt: "Jag känner alltid mitt ursprung. Nordryska – för mig är det väldigt viktigt. Detta är min idé om Ryssland, vår karaktär, etik och estetik. Söder om Voronezh för mig är andra ryssar. Det är konstigt att det finns Parfenovs i min familj. Aksinya Parfenova (1800-1904) är mormor till Kirill Kirillovich Korichev (make till Alexandra Alekseevna Zemskova). Detta efternamn är dock vanligt, så kanske släktingar, eller kanske inte.

Cherepovets, gammelmormor till vänster, farmor nere till höger, 1957?

Min mitokondriella grupp är D5a3a.

Vid sekvensering av GVS1 - 16126s, 16136s, 16182s, 16183s, 16189s, 16223T, 16360T, 16362S. Det betyder att min mitokondriella grupp är D5a3a. Detta är en mycket sällsynt haplogrupp, även genetiker blev förvånade - det här är första gången en sådan grupp har bestämts i Vitryssland. I allmänhet är D en asiatisk grupp. Forskare skriver att det finns i genpoolerna hos endast vissa etniska grupper i norra Eurasien.

Enstaka D5a3-linjer hittades i tadzjiker, altaier, koreaner och ryssar i Veliky Novgorod. Alla av dem (med undantag för den koreanska) kännetecknas av 16126-16136-16360 GVS1-motivet, som också finns i vissa populationer i nordöstra Europa.

Annino by, 1917, min gammelmormor.

Helgenomanalys visade att mtDNA från ryska och Mansi kombineras till ett separat kluster D5a3a, och mtDNA för korean representeras av en separat gren. Den evolutionära åldern för hela D5a3-haplogruppen är cirka 20 tusen år (20560 ± 5935), medan graden av divergens av D5a3a mtDNA-linjerna motsvarar cirka 5 tusen år (5140 ± 1150). D5 är en utpräglat östasiatisk grupp.

I Sibirien dominerar absolut D4-varianter. D5 är mest talrik och mångsidig i Japan, Korea och södra Kina. Bland de sibiriska folken noterades mångfalden av D5 och närvaron av dess unika rent etniska varianter bland de östmongoltalande grupperna, inklusive de mongoliserade evenkarna. D5a3 är noterat i en arkaisk variant i Korea.En mer noggrann analys visar åldern på D5a3a upp till 3000 år, men föräldern D5a3 är mycket gammal, det finns troligen mesolitikum.

Cherepovets, 1940

Baserat på tillgängliga data verkar det logiskt att föreslå ursprunget till D5a3 någonstans i Långt österut(mellan Mongoliet och Korea) och dess migration västerut genom Sydsibirien. Det är troligt att mina direkta kvinnliga förfäder kom till Europa för ungefär tre tusen år sedan, efter att ha gett rötter i Finland, Korea, bland de lokala finsk-ugriska folken: samerna, karelerna och vepsianerna. När de blandas med Krivichi övergick dessa haplogrupper till de moderna invånarna i Vologda och Novgorod-regionen.

Vad är mitokondriellt DNA?

Mitokondriellt DNA (mtDNA) är DNA som finns i mitokondrier, cellorganeller i eukaryota celler som omvandlar kemisk energi från mat till en form som cellerna kan använda den - adenosintrifosfat (ATP). Mitokondrie-DNA är bara en liten del av DNA:t i en eukaryot cell; det mesta DNA finns i cellkärnan, i växter och alger och i plastider som kloroplaster.

Hos människor kodar 16 569 baspar av mitokondriellt DNA för totalt 37 gener. Humant mitokondrie-DNA var den första betydande delen av det mänskliga genomet som sekvenserades. Hos de flesta arter, inklusive människor, ärvs mtDNA endast från modern.

Eftersom djurs mtDNA utvecklas snabbare än kärngenetiska markörer, är det grunden för fylogenetik och evolutionär biologi. Detta har blivit en viktig punkt inom antropologi och biogeografi, eftersom det låter dig studera förhållandet mellan populationer.

Hypoteser om ursprunget till mitokondrierna

Nukleärt och mitokondriellt DNA tros ha olika evolutionärt ursprung, med mtDNA som härrör från de cirkulära genomen av bakterier som uppslukades av de tidiga förfäderna till moderna eukaryota celler. Denna teori kallas den endosymbiotiska teorin. Det uppskattas att varje mitokondrier innehåller kopior av 2-10 mtDNA. I cellerna hos existerande organismer kodas den stora majoriteten av de proteiner som finns i mitokondrier (som omfattar cirka 1500 olika typer hos däggdjur) av kärn-DNA, men generna för vissa, om inte de flesta, tros ursprungligen vara bakteriella; de har sedan överförts till den eukaryota kärnan under evolutionen.

Orsakerna till att mitokondrier behåller vissa gener diskuteras. Förekomsten av genomlösa organeller i vissa arter av mitokondriellt ursprung tyder på att fullständig genförlust är möjlig, och överföringen av mitokondriella gener till kärnan har ett antal fördelar. Svårigheten att orientera fjärrproducerade hydrofoba proteinprodukter i mitokondrier är en av hypoteserna för varför vissa gener är konserverade i mtDNA. Samlokalisering för redoxreglering är en annan teori, som hänvisar till önskvärdheten av lokaliserad kontroll över mitokondriella mekanismer. Ny analys av ett brett spektrum av mitokondriella genom tyder på att båda dessa funktioner kan diktera mitokondriella genretention.

Genetisk expertis av mtDNA

I de flesta flercelliga organismer ärvs mtDNA från modern (moderns linje). Mekanismer för detta inkluderar enkel utspädning (ett ägg innehåller i genomsnitt 200 000 mtDNA-molekyler, medan friska mänskliga spermier innehåller i genomsnitt 5 molekyler), nedbrytning av mtDNA-spermier i det manliga fortplantningsorganet, i ett befruktat ägg, och i minst en få organismer, oförmågan att spermiernas mtDNA penetrera ägget. Oavsett mekanism är detta unipolärt arv – mtDNA-arv – som förekommer hos de flesta djur, växter och svampar.

moderns arv

Vid sexuell fortplantning ärvs mitokondrier vanligtvis uteslutande från modern; mitokondrier i däggdjursspermier förstörs vanligtvis av ägget efter befruktning. Dessutom finns de flesta mitokondrier vid basen av spermiesvansen, som används för att driva spermiecellerna; ibland tappas svansen under befruktningen. År 1999 rapporterades paternala spermier mitokondrier (innehållande mtDNA) vara märkta med ubiquitin för efterföljande destruktion i embryot. Vissa metoder för provrörsbefruktning, i synnerhet injektion av spermier i oocyten, kan störa detta.

Det faktum att mitokondrie-DNA ärvs av modern gör att släktforskare kan spåra moderns härstamning långt tillbaka i tiden. (Y-kromosomalt DNA ärvs faderligt, används på liknande sätt för att bestämma patrilineal historia.) Detta görs vanligtvis på humant mitokondrie-DNA genom att sekvensera den hypervariabla kontrollregionen (HVR1 eller HVR2) och ibland hela mitokondriella DNA-molekylen som ett genealogiskt DNA testa. Till exempel är HVR1 ungefär 440 baspar lång. Dessa 440 par jämförs sedan med kontrollregioner för andra individer (antingen specifika individer eller individer i databasen) för att fastställa moderns härstamning. Den vanligaste jämförelsen är med den reviderade Cambridge-referenssekvensen. Vila et al. publicerade studier om den matrilineära likheten hos tamhundar och vargar. Begreppet mitokondriella Eva är baserat på samma typ av analys, som försöker upptäcka mänsklighetens ursprung, spåra ursprunget tillbaka i tiden.

mtDNA är mycket konserverat, och dess relativt långsamma mutationshastigheter (jämfört med andra DNA-regioner som mikrosatelliter) gör det användbart för att studera evolutionära relationer - organismernas fylogeni. Biologer kan identifiera och sedan jämföra mtDNA-sekvenser mellan arter och använda jämförelserna för att bygga ett evolutionärt träd för de studerade arterna. Men på grund av de långsamma mutationshastigheter den upplever är det ofta svårt att särskilja närbesläktade arter i någon grad, så andra analysmetoder måste användas.

Mitokondriella DNA-mutationer

Individer som är föremål för enkelriktad nedärvning och nästan ingen rekombination kan förväntas genomgå Mullers ratchet, en ansamling av skadliga mutationer tills funktionaliteten går förlorad. Djurpopulationer av mitokondrier undkommer denna ansamling på grund av en utvecklingsprocess som kallas mtDNA-flaskhalsen. Flaskhalsen använder stokastiska processer i cellen för att öka cell-till-cell-variabilitet i mutantbelastningen när organismen utvecklas så att ett enda ägg med något mutant mtDNA skapar ett embryo där olika celler har olika mutantbelastningar. Den cellulära nivån kan sedan väljas för att ta bort de celler med mer mutant mtDNA, vilket resulterar i en stabilisering eller minskning av mutantbelastningen mellan generationerna. Den underliggande mekanismen för flaskhalsen diskuteras med nyligen genomförd matematisk och experimentell metastasering och ger bevis för en kombination av den slumpmässiga nedbrytningen av mtDNA i celldelningar och den slumpmässiga omsättningen av mtDNA-molekyler i cellen.

faderns arv

Bifaldig enkelriktad mtDNA-ärvning observeras hos musslor. Hos dessa arter har honor bara en typ av mtDNA (F), medan hanar har typ F mtDNA i sina somatiska celler, men M-typ mtDNA (som kan vara så hög som 30 % divergerande) i sina könsceller. I moderärvda mitokondrier har vissa insekter dessutom rapporterats, såsom fruktflugor, bin och periodiska cikader.

Manligt mitokondriellt arv upptäcktes nyligen i Plymouth Rock-kycklingar. Bevis stödjer sällsynta fall av manlig mitokondriell arv hos vissa däggdjur. I synnerhet finns dokumenterade fall hos möss där manliga ärvda mitokondrier senare har avvisats. Dessutom har den hittats i får såväl som klonade nötkreatur. En gång hittades i kroppen av en man.

Medan många av dessa fall involverar embryokloning eller efterföljande avstötning av paternala mitokondrier, dokumenterar andra arv och persistens in vivo in vitro.

Mitokondriell donation

IVF-metoden, känd som mitokondriell donation eller mitokondriell ersättningsterapi (MRT), resulterar i avkomma som innehåller mtDNA från kvinnliga donatorer och nukleärt DNA från mor och far. I spindelöverföringsproceduren injiceras en äggkärna i cytoplasman hos ett ägg från en kvinnlig donator som har fått sin kärna borttagen men som fortfarande innehåller mtDNA från den kvinnliga donatorn. Det sammansatta ägget befruktas sedan med hanens spermier. Denna procedur används när en kvinna med genetiskt defekta mitokondrier vill producera avkomma med friska mitokondrier. Det första kända barnet som föddes från en mitokondriell donation var en pojke som föddes till ett jordanskt par i Mexiko den 6 april 2016.

Mitokondriell DNA-struktur

I de flesta flercelliga organismer är mtDNA - eller mitogenomet - organiserat som ett runt, cirkulärt slutet, dubbelsträngat DNA. Men i många encelliga organismer (t.ex. tetrakymener eller grönalgen Chlamydomonas reinhardtii) och sällan i flercelliga organismer (t.ex. vissa arter av cnidarians), finns mtDNA som linjärt organiserat DNA. De flesta av dessa linjära mtDNA har telomerasoberoende telomerer (det vill säga ändarna av linjärt DNA) med olika replikationslägen, vilket har gjort dem till intressanta ämnen för studier, eftersom många av dessa encelliga organismer med linjärt mtDNA är kända patogener.

För humant mitokondrie-DNA (och förmodligen för metazoer) finns vanligtvis 100-10 000 individuella kopior av mtDNA i en somatisk cell (ägg och spermier är undantag). Hos däggdjur består varje dubbelsträngad cirkulär mtDNA-molekyl av 15 000-17 000 baspar. De två strängarna av mtDNA skiljer sig åt i sitt nukleotidinnehåll, den guanidrika strängen kallas den tunga kedjan (eller H-strängen) och den cynosinrika strängen kallas den lätta kedjan (eller L-strängen). Den tunga kedjan kodar för 28 gener och den lätta kedjan kodar för 9 gener, för totalt 37 gener. Av de 37 generna är 13 för proteiner (polypeptider), 22 för överföring av RNA (tRNA) och två för små och stora subenheter av ribosomalt RNA (rRNA). Det mänskliga mitogenomet innehåller överlappande gener (ATP8 och ATP6, samt ND4L och ND4: se karta över det mänskliga mitokondriernas genom), vilket är sällsynt i djurgenom. 37-genmönstret finns också bland de flesta metazoer, även om i vissa fall en eller flera av dessa gener saknas och mtDNA-storleksintervallet är större. Mer större förändring Innehållet och storleken av mtDNA-gener finns bland svampar och växter, även om det verkar finnas en kärnundergrupp av gener som finns i alla eukaryoter (med undantag för ett fåtal som inte har mitokondrier alls). Vissa växtarter har enorma mtDNA (så många som 2 500 000 baspar per mtDNA-molekyl), men överraskande nog innehåller även dessa enorma mtDNA samma antal och olika typer av gener som relaterade växter med mycket mindre mtDNA.

Gurkans mitokondriella genom (Cucumis Sativus) består av tre cirkulära kromosomer (1556, 84 och 45 kb långa) som är helt eller till stor del autonoma med avseende på deras replikering.

Sex stora genomtyper har hittats i mitokondriella genom. Dessa typer av genom har klassificerats av "Kolesnikov och Gerasimov (2012)" och skiljer sig åt på olika sätt såsom cirkulärt kontra linjärt genom, genomstorlek, närvaron av introner eller liknande plasmidstrukturer, och om det genetiska materialet är en singulär molekyl, en samling homogena eller heterogena molekyler.

Dechiffrera djurets genom

I djurceller finns det bara en typ av mitokondriegenom. Detta genom innehåller en cirkulär molekyl mellan 11-28 kbp genetiskt material (typ 1).

Dechiffrera växtgenomet

Det finns tre olika typer av genom som finns i växter och svampar. Den första typen är ett cirkulärt genom som har introner (typ 2) som sträcker sig i längd från 19 till 1000 kbp. Den andra typen av genom är ett cirkulärt genom (ca 20-1000 kbp), som också har en plasmidstruktur (1kb) (typ 3). Den sista typen av genom som kan hittas i växter och svampar är ett linjärt genom som består av homogena DNA-molekyler (typ 5).

Dechiffrera protistgenomet

Protister innehåller en mängd olika mitokondriella genom, som inkluderar fem olika typer. Typ 2, typ 3 och typ 5 som nämns i växt- och svampgenomet finns också i vissa protozoer, såväl som i två unika genomtyper. Den första av dessa är en heterogen samling av cirkulära DNA-molekyler (typ 4) och den slutliga genomtypen som finns i protister är en heterogen samling av linjära molekyler (typ 6). Genomtyperna 4 och 6 sträcker sig från 1 till 200 kb.,

Endosymbiotisk genöverföring, processen för gener som kodas i mitokondriernas genom, bärs främst av cellens genom, vilket förmodligen förklarar varför mer komplexa organismer som människor har mindre mitokondriella genom än enklare organismer som protozoer.

Mitokondriell DNA-replikation

Mitokondrie-DNA replikeras av DNA-polymeras gamma-komplexet, som består av ett 140 kD katalytiskt DNA-polymeras som kodas av POLG-genen och två 55 kD accessoriska subenheter som kodas av POLG2-genen. Replikationsanordningen bildas av DNA-polymeras, TWINKLE och mitokondriella SSB-proteiner. TWINKLE är en helicase som lindar upp korta längder av dsDNA i en 5" till 3" riktning.

Under embryogenes regleras mtDNA-replikation hårt från den befruktade oocyten genom preimplantationsembryot. Den effektiva minskningen av antalet celler i varje cell mtDNA spelar en roll i den mitokondriella flaskhalsen som utnyttjar cell-till-cell-variabilitet för att förbättra nedärvningen av skadliga mutationer. I blastocytstadiet är starten av mtDNA-replikation specifik för trophtocoder-celler. Däremot begränsar celler i den inre cellmassan mtDNA-replikation tills de tar emot signaler för att differentiera till specifika celltyper.

Transkription av mitokondriellt DNA

I djurmitokondrier transkriberas varje DNA-sträng kontinuerligt och producerar en polycistronisk RNA-molekyl. Mellan de flesta (men inte alla) proteinkodande regioner är tRNA närvarande (se Human Mitokondrial Genome Map). Under transkriptionen antar tRNA en karakteristisk L-form som känns igen och klyvs av specifika enzymer. Vid bearbetning av mitokondriellt RNA frigörs individuella fragment av mRNA, rRNA och tRNA från det primära transkriptet. Sålunda fungerar staplade tRNA som sekundära skiljetecken.

Mitokondriella sjukdomar

Uppfattningen att mtDNA är särskilt mottaglig för reaktiva syreämnen som genereras av andningskedjan på grund av dess närhet är fortfarande kontroversiell. mtDNA ackumulerar inte mer oxidativ bas än nukleärt DNA. Det har rapporterats att åtminstone vissa typer av oxidativ DNA-skada repareras mer effektivt i mitokondrierna än i kärnan. mtDNA är förpackat med proteiner som verkar vara lika skyddande som nukleära kromatinproteiner. Dessutom har mitokondrier utvecklat en unik mekanism som upprätthåller mtDNA-integritet genom att bryta ner alltför skadade genom, följt av replikering av intakt/reparerat mtDNA. Denna mekanism saknas i kärnan och aktiveras av de få kopiorna av mtDNA som finns i mitokondrier. Resultatet av en mutation i mtDNA kan vara en förändring i kodningsinstruktionerna för vissa proteiner, vilket kan påverka organismens metabolism och/eller kondition.

Mitokondriella DNA-mutationer kan leda till ett antal sjukdomar, inklusive träningsintolerans och Kearns-Saire syndrom (KSS), vilket gör att en person förlorar full funktion av hjärtat, ögonen och muskelrörelserna. Vissa bevis tyder på att de kan bidra väsentligt till åldrandeprocessen och är associerade med åldersrelaterad patologi. I synnerhet, i samband med sjukdom, kallas andelen muterade mtDNA-molekyler i en cell som heteroplasma. Fördelningen av heteroplasma inom och mellan celler dikterar uppkomsten och svårighetsgraden av sjukdomen och påverkas av komplexa stokastiska processer inom cellen och under utveckling.

Mutationer i mitokondriella tRNA kan vara ansvariga för allvarliga sjukdomar som MELAS- och MERRF-syndromen.

Mutationer i nukleära gener som kodar för proteiner som mitokondrier använder kan också bidra till mitokondriell sjukdom. Dessa sjukdomar följer inte mitokondriella arvsmönster, utan följer istället Mendelska arvsmönster.

På senare tid har mutationer i mtDNA använts för att diagnostisera prostatacancer hos biopsinegativa patienter.

Mekanism för åldrande

Även om idén är kontroversiell, tyder vissa bevis på en koppling mellan åldrande och mitokondriell genomdysfunktion. I huvudsak rubbar mutationer i mtDNA den noggranna balansen mellan produktion av reaktivt syre (ROS) och enzymatisk ROS-produktion (av enzymer som superoxiddismutas, katalas, glutationperoxidas och andra). Vissa mutationer som ökar ROS-produktionen (till exempel genom att minska antioxidantförsvaret) hos maskar ökar snarare än minskar deras livslängd. Dessutom lever nakna mullvadsråttor, gnagare i storlek av mus, cirka åtta gånger längre än möss, trots minskat, jämfört med möss, antioxidantförsvar och ökad oxidativ skada på biomolekyler.

Vid ett tillfälle ansågs det finnas en positiv återkopplingsslinga på jobbet ("ond cirkel"); eftersom mitokondrie-DNA ansamlas genetiska skador orsakade av fria radikaler, förlorar mitokondrier funktion och frigör fria radikaler i cytosolen. Minskad mitokondriell funktion minskar den totala metaboliska effektiviteten. Men detta koncept motbevisades definitivt när möss genetiskt modifierade för att ackumulera mtDNA-mutationer i ökad takt visade sig åldras i förtid, men deras vävnader producerar inte mer ROS, som förutspåtts av den onda cykelhypotesen. Som stöd för sambandet mellan livslängd och mitokondriellt DNA, har vissa studier funnit korrelationer mellan biokemiska egenskaper hos mitokondriellt DNA och arters livslängd. Omfattande forskning görs för att ytterligare utforska denna koppling och anti-aging metoder. För närvarande är genterapi och kosttillskott populära områden inom aktuell forskning. Bjelakovic et al. analyserade resultat från 78 studier mellan 1977 och 2012, som involverade totalt 296 707 deltagare, drog slutsatsen att antioxidanttillskott inte minskar dödligheten av alla orsaker eller förlänger den förväntade livslängden, medan vissa av dem, såsom betakaroten, vitamin E och högre doser av vitamin A, kan faktiskt öka dödligheten.

Borttagningsbrytpunkter finns ofta inom eller nära regioner som visar icke-kanoniska (icke-B) konformationer, nämligen hårnålar, korsformer och klöverliknande element. Dessutom finns det bevis för att stödja involveringen av spiralformade kurvlinjära regioner och långa G-tetrader för att upptäcka instabilitetshändelser. Dessutom observerades punkter med högre densitet konsekvent i regioner med GC-skev och i närheten av det degenererade fragmentet av YMMYMNNMMHM-sekvensen.

Hur skiljer sig mitokondriellt DNA från nukleärt?

Till skillnad från nukleärt DNA, som ärvs från båda föräldrarna och där gener omarrangeras genom rekombination, sker vanligtvis ingen förändring i mtDNA från förälder till avkomma. Medan mtDNA också rekombinerar, gör det det med kopior av sig själv inom samma mitokondrie. På grund av detta är mutationshastigheten för djurs mtDNA högre än för nukleärt DNA. mtDNA är ett kraftfullt verktyg för att spåra anor genom honor (matrilineage) och har använts i denna roll för att spåra anor till många arter för hundratals generationer sedan.

Den snabba mutationshastigheten (i djur) gör mtDNA användbart för att bedöma de genetiska förhållandena mellan individer eller grupper inom en art, och för att identifiera och kvantifiera fylogeni (evolutionära samband) mellan olika arter. För att göra detta bestämmer biologer och jämför sedan mtDNA-sekvensen från olika individer eller arter. Jämförelsedata används för att konstruera ett nätverk av relationer mellan sekvenser som ger en uppskattning av relationer mellan individer eller arter från vilka mtDNA:t togs. mtDNA kan användas för att bedöma relationer mellan närbesläktade och avlägsna arter. På grund av den höga frekvensen av mtDNA-mutationer hos djur förändras position 3-kodonen relativt snabbt och ger därmed information om genetiska avstånd mellan närbesläktade individer eller arter. Å andra sidan är substitutionshastigheten för mt-proteiner mycket långsam, så aminosyraförändringar ackumuleras långsamt (med motsvarande långsamma förändringar i kodon 1 och 2-positioner) och ger därmed information om avlägsna släktingars genetiska avstånd. Statistiska modeller som tar hänsyn till substitutionsfrekvensen bland kodonpositioner separat kan därför användas för att samtidigt uppskatta en fylogeni som innehåller både närbesläktade och avlägsna arter.

Historia om mtDNA-upptäckt

Mitokondrie-DNA upptäcktes på 1960-talet av Margit M. K. Nas och Sylvan Nas med hjälp av elektronmikroskopi som DNas-känsliga strängar i mitokondrier, och av Ellen Hasbrunner, Hans Tuppi och Gottfried Schatz från biokemiska analyser på högrenade mitokondriella fraktioner.

Mitokondriellt DNA upptäcktes först 1996 under Tennessee mot Paul Ware. 1998, i Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynn Rorrer, togs mitokondriellt DNA upp som bevis för första gången i delstaten Pennsylvania. Fallet presenterades i avsnitt 55 av säsong 5 av True Series of Dramatic Forensic Court Cases (säsong 5).

Mitokondriellt DNA erkändes först i Kalifornien under det framgångsrika åtalet mot David Westerfield för kidnappningen och mordet på 7-åriga Danielle van Dam i San Diego 2002: det användes för att identifiera både människor och hundar. Detta var det första försöket i USA för att lösa hundens DNA.

mtDNA-databaser

Flera specialiserade databaser har skapats för att samla in mitokondriella genomsekvenser och annan information. Även om de flesta av dem fokuserar på sekvensdata, innehåller några av dem fylogenetisk eller funktionell information.

• MitoSatPlant: Mitokondriell Viridiplant Microsatellite Database.

• MitoBreak: Mitokondriell DNA Checkpoint Database.

• MitoFish och MitoAnnotator: en databas över det mitokondriella genomet hos fisk. Se även Cawthorn et al.

• MitoZoa 2.0: databas för jämförande och evolutionär analys av mitokondriella genom (inte längre tillgänglig)

• InterMitoBase: en kommenterad databas och plattform för analys av protein-protein-interaktioner för mänskliga mitokondrier (senast uppdaterad 2010, men fortfarande inte tillgänglig)

• Mitome: databas för jämförande mitokondriell genomik i metazoer (inte längre tillgänglig)

• MitoRes: en resurs för nukleärt kodade mitokondriella gener och deras produkter i metazoer (inte längre uppdaterad)

Det finns flera specialiserade databaser som rapporterar polymorfismer och mutationer i humant mitokondrie-DNA, tillsammans med en bedömning av deras patogenicitet.

• MITOMAP: ett kompendium av polymorfismer och mutationer i mänskligt mitokondrie-DNA.

• MitImpact: Samling av prediktiva patogenicitetsförutsägelser för alla nukleotidförändringar som orsakar icke-synonyma substitutioner i gener som kodar för mänskliga mitokondriella proteiner.

Exempel på mitokondriell nedärvning är antibiotikaresistens i jästceller och manlig sexuell sterilitet (frånvaro av manliga könsceller) i ett antal växter, såsom majs.

Hos människor (förmodligen) - sådana missbildningar som sammansmältning av de nedre extremiteterna och ryggmärgsbråck.

centriolärt arv

Exempel på tecken som överförs genom centrioler har ännu inte fastställts.

I bakteriers cytoplasma är små cirkulära DNA-molekyler autonomt lokaliserade - plasmider. Tre typer av plasmider har isolerats.

Plasmider som innehåller F-faktor (fertilitetsfaktor): F+ (man), F- (hona). Under konjugering kan faktorn gå från en bakterie till en annan, d.v.s. könsförändringar.

Plasmider som innehåller R-faktorn (resistensfaktor) bestämmer antibiotikaresistens. De kan också passera från en bakterie till en annan.

Kolicinogenplasmider - kodar för proteiner som har en skadlig effekt på individer av samma art som inte innehåller kolicinogener (mördarbakterier).

Generna i kärnan och cytoplasman interagerar med varandra. De är baserade på kända former av interaktion av icke-alleliska gener såsom epistas (till exempel kärngener undertrycker cytoplasmatiska gener).

Det finns också pseudocytoplasmisk ärftlighet på grund av närvaron av symbionter i celler - bakterier eller virus. Så, Drosophila har en ras med ökad känslighet för CO 2. I cellerna i denna ras finns virus som bestämmer denna egenskap.

Vissa ciliates-skor ("killers") utsöndrar ämnen som har en skadlig effekt på andra individer av samma art. Bakterier finns i deras celler.

Hos möss finns en ras med ärftlig anlag för bröstcancer. Överföring sker genom modersmjölk som innehåller virus. Om vi ​​utesluter utfodring av avkommor med denna mjölk, kommer det inte att finnas någon predisposition för cancer, och vice versa, om avkomman från en frisk ras matas med denna mjölk, kommer de att utveckla en predisposition för cancer.

Variabilitet

Variabilitet - levande organismers egenskap att förändra både den mycket ärftliga informationen från föräldrar och processen för dess implementering under ontogenesen.

Det finns tre typer av variation:

fenotypisk,

ontogenetisk,

genotypisk.

Fenotypisk eller modifieringsvariabilitet - förändring i fenotypen som svar på verkan av miljöfaktorer. Denna typ av variation identifierades av C. Darwin och namngavs av honom " vissa". De egenskaper som förvärvats under ontogenesen ärvs inte. Variabilitetsgränserna för en egenskap kallas reaktionsnorm. Reaktionshastigheten ärvs. Den kan vara bred eller smal. (Ge exempel.)

För den evolutionära processen är fenotypisk variabilitet av stor betydelse, eftersom. naturligt urval av individer i naturen är baserat på fenotypen.

ontogenetisk variabilitet - en regelbunden förändring av genotyp och fenotyp under ontogenes.

Förändringar i människokroppens fenotyp i tillväxtprocessen, uppkomsten av sekundära sexuella egenskaper är exempel på ontogenetisk variation.

En regelbunden förändring av genotypen under ontogenes har nyligen upptäckts. Men få sådana exempel är kända. Således består immunglobulinproteiner i möss av två fraktioner: V (variabel) och C (konstant). I musembryon är generna som kodar för dem lokaliserade på ett ganska stort avstånd från varandra:

Hos vuxna möss är dessa gener sammankopplade och fungerar som en:

Genotypisk variation på grund av en förändring i genotypen. Ch. Darwin kallade denna typ av variabilitet " osäker". Detta är ärftlig variation (som går vidare genom arv).

Genotypisk variation är uppdelad i två typer: kombinativ och mutationell .

Kombinationsvariabilitet på grund av rekombinationen av befintligt genetiskt material.

Det finns tre källor till kombinativ variabilitet i naturen:

1) oberoende divergens av kromosomer i meios (antalet kombinationer är

2n, där n är antalet kromosomer i den haploida uppsättningen);

2) korsning (utbyte av homologa regioner mellan homologa

kromosomer);

3) slumpmässig kombination av kromosomer under befruktning.

Allt detta leder till en stor variation av genotyper och fenotyper, vilket i sin tur säkerställer arternas höga anpassningsförmåga.

I kärnan mutationell Variabiliteten ligger i omstruktureringen av den genetiska apparaten.