Генетика митохондрий человека — это изучение генетики митохондриальной ДНК человека ( ДНК , содержащейся в митохондриях человека ). Митохондриальный геном человека — это совокупность наследственной информации, содержащейся в митохондриях человека. Митохондрии — это небольшие структуры в клетках , которые генерируют энергию для использования клеткой, и поэтому их называют «электростанциями» клетки.
Митохондриальная ДНК (мтДНК) не передается через ядерную ДНК (яДНК). У людей, как и у большинства многоклеточных организмов, митохондриальная ДНК наследуется только от яйцеклетки матери . Однако существуют теории, что передача отцовской мтДНК у людей может происходить при определенных обстоятельствах. [3] Таким образом, митохондриальное наследование является неменделевским , поскольку менделевское наследование предполагает, что половина генетического материала оплодотворенной яйцеклетки ( зиготы ) происходит от каждого родителя.
Это позволило создать гаплогруппы митохондриальной ДНК для изучения популяционной генетики .
Восемьдесят процентов митохондриальной ДНК кодируют митохондриальную РНК, и поэтому большинство мутаций митохондриальной ДНК приводят к функциональным проблемам, которые могут проявляться в виде мышечных расстройств ( миопатий ).
Поскольку они обеспечивают 30 молекул АТФ на молекулу глюкозы в отличие от 2 молекул АТФ, производимых гликолизом , митохондрии необходимы для поддержания жизни всех высших организмов. Митохондриальные заболевания — это генетические нарушения, переносимые в митохондриальной ДНК или ядерной ДНК, кодирующей митохондриальные компоненты. Незначительные проблемы с любым из многочисленных ферментов, используемых митохондриями, могут быть разрушительными для клетки и, в свою очередь, для организма.
У людей митохондриальная ДНК (мтДНК) образует замкнутые кольцевые молекулы, которые содержат 16 569 [4] [5] пар оснований ДНК , [6] причем каждая такая молекула обычно содержит полный набор митохондриальных генов. Каждая человеческая митохондрия содержит в среднем около 5 таких молекул мтДНК, причем количество варьируется от 1 до 15. [6] Каждая человеческая клетка содержит около 100 митохондрий, что дает общее количество молекул мтДНК на человеческую клетку около 500. [6] Количество митохондрий на клетку также варьируется в зависимости от типа клеток, вот некоторые примеры:
Поскольку митохондриальные заболевания (заболевания, вызванные нарушением работы митохондрий) могут наследоваться как по материнской линии, так и через хромосомное наследование, способ, которым они передаются из поколения в поколение, может сильно различаться в зависимости от заболевания. Митохондриальные генетические мутации, которые происходят в ядерной ДНК, могут происходить в любой из хромосом (в зависимости от вида). Мутации, унаследованные через хромосомы, могут быть аутосомно-доминантными или рецессивными, а также могут быть сцепленными с полом доминантными или рецессивными. Хромосомное наследование следует обычным законам Менделя , несмотря на то, что фенотип заболевания может быть замаскирован.
Из-за сложных способов, которыми митохондриальная и ядерная ДНК «общаются» и взаимодействуют, даже, казалось бы, простое наследование трудно диагностировать. Мутация в хромосомной ДНК может изменить белок, который регулирует (увеличивает или уменьшает) выработку другого определенного белка в митохондриях или цитоплазме; это может привести к незначительным, если вообще к заметным симптомам. С другой стороны, некоторые разрушительные мутации мтДНК легко диагностировать из-за их широко распространенного повреждения мышечной, нервной и/или печеночной тканей (среди других высокоэнергетических и зависящих от метаболизма тканей) и потому, что они присутствуют у матери и всего потомства.
Количество пораженных молекул мтДНК, унаследованных конкретным потомком, может значительно различаться, поскольку
Даже при рождении близнецов возможно, что один ребенок получит более половины мутантных молекул мтДНК, в то время как другой близнец может получить только крошечную часть мутантных молекул мтДНК по отношению к дикому типу (в зависимости от того, как близнецы разделяются друг от друга и сколько мутантных митохондрий оказывается на каждой стороне деления). В некоторых случаях некоторые митохондрии или митохондрия из сперматозоида попадают в ооцит, но отцовские митохондрии активно разлагаются.
Гены в митохондриальном геноме человека следующие.
Первоначально ошибочно считалось, что митохондриальный геном содержит только 13 генов, кодирующих белки, все из которых кодируют белки цепи переноса электронов . Однако в 2001 году был открыт 14-й биологически активный белок, называемый гуманином , и было обнаружено, что он кодируется митохондриальным геном MT-RNR2 , который также кодирует часть митохондриальной рибосомы (состоящей из РНК):
В отличие от других белков, гуманин не остается в митохондриях, а взаимодействует с остальной частью клетки и клеточными рецепторами. Гуманин может защищать клетки мозга, ингибируя апоптоз . Несмотря на свое название, версии гуманина существуют и у других животных, например, раттин у крыс.
Следующие гены кодируют рРНК :
Следующие гены кодируют тРНК :
Митохондриальная ДНК традиционно имела две нити ДНК, обозначенные как тяжелая и легкая, из-за их плавучей плотности во время разделения в градиентах хлорида цезия, [8] [9] , что, как было обнаружено, связано с относительным содержанием нуклеотидов G+T в нити. [10] Однако путаница в маркировке этих нитей широко распространена и, по-видимому, возникла после идентификации большинства кодирующих нитей как тяжелых в одной влиятельной статье в 1999 году. [11] [10] У людей легкая цепь мтДНК несет 28 генов, а тяжелая цепь мтДНК несет только 9 генов. [10] [12] Восемь из 9 генов на тяжелой цепи кодируют молекулы митохондриальной тРНК. Человеческая мтДНК состоит из 16 569 пар нуклеотидов. Вся молекула регулируется только одной регуляторной областью, которая содержит точки начала репликации как тяжелых, так и легких цепей. Была картирована вся молекула митохондриальной ДНК человека [1] [2] .
Генетический код , по большей части, универсален, за несколькими исключениями: [13] митохондриальная генетика включает некоторые из них. Для большинства организмов « стоп-кодонами » являются «UAA», «UAG» и «UGA». В митохондриях позвоночных «AGA» и «AGG» также являются стоп-кодонами, но не «UGA», который вместо этого кодирует триптофан . «AUA» кодирует изолейцин в большинстве организмов, но метионин в мРНК митохондрий позвоночных.
Существует множество других вариаций среди кодов, используемых другими митохондриальными м/тРНК, которые, как оказалось, не наносят вреда их организмам и которые можно использовать в качестве инструмента (наряду с другими мутациями среди мтДНК/РНК разных видов) для определения относительной близости общего происхождения родственных видов. (Чем более родственны два вида, тем больше мутаций мтДНК/РНК будут одинаковыми в их митохондриальном геноме).
Используя эти методы, было подсчитано, что первые митохондрии возникли около 1,5 млрд лет назад. Общепринятая гипотеза заключается в том, что митохондрии возникли как аэробные прокариоты в симбиотических отношениях внутри анаэробных эукариот .
Репликация митохондрий контролируется ядерными генами и специально приспособлена для создания такого количества митохондрий, которое необходимо данной клетке в данный момент.
Митохондриальная транскрипция у людей инициируется тремя промоторами , H1, H2 и L (промоторы тяжелой цепи 1, тяжелой цепи 2 и легкой цепи). Промотор H2 транскрибирует почти всю тяжелую цепь, а промотор L транскрибирует всю легкую цепь. Промотор H1 вызывает транскрипцию двух митохондриальных молекул рРНК. [14]
Когда транскрипция происходит на тяжелой цепи, создается полицистронный транскрипт. Легкая цепь производит либо небольшие транскрипты, которые могут быть использованы в качестве праймеров , либо один длинный транскрипт. Производство праймеров происходит путем обработки транскриптов легкой цепи с помощью митохондриальной РНКазы MRP (обработка митохондриальной РНК). Необходимость транскрипции производить праймеры связывает процесс транскрипции с репликацией мтДНК. Полноразмерные транскрипты разрезаются на функциональные молекулы тРНК, рРНК и мРНК. [ необходима цитата ]
Процесс инициации транскрипции в митохондриях включает три типа белков: митохондриальную РНК-полимеразу ( POLRMT ), митохондриальный фактор транскрипции A (TFAM) и митохондриальные факторы транскрипции B1 и B2 (TFB1M, TFB2M). POLRMT , TFAM и TFB1M или TFB2M собираются на митохондриальных промоторах и начинают транскрипцию. Фактические молекулярные события, которые участвуют в инициации, неизвестны, но эти факторы составляют базальный аппарат транскрипции и, как было показано, функционируют in vitro. [ необходима цитата ]
Митохондриальная трансляция до сих пор не очень хорошо изучена. Трансляции in vitro до сих пор не увенчались успехом, вероятно, из-за сложности выделения достаточного количества мт-мРНК, функциональной мт-рРНК и, возможно, из-за сложных изменений, которым подвергается мРНК перед трансляцией. [ необходима цитата ]
Митохондриальная ДНК-полимераза (Pol gamma, кодируется геном POLG ) используется для копирования мтДНК во время репликации. Поскольку две ( тяжелая и легкая ) нити кольцевой молекулы мтДНК имеют разные начала репликации , она реплицируется в режиме D-петли . Одна нить начинает реплицироваться первой, вытесняя другую. Это продолжается до тех пор, пока репликация не достигнет начала репликации на другой нити, после чего другая нить начинает реплицироваться в противоположном направлении. Это приводит к появлению двух новых молекул мтДНК. Каждая митохондрия имеет несколько копий молекулы мтДНК, и количество молекул мтДНК является ограничивающим фактором в делении митохондрий . После того, как митохондрия имеет достаточно мтДНК, мембранной области и мембранных белков, она может подвергнуться делению (очень похожему на то, которое используют бактерии), чтобы стать двумя митохондриями. Данные свидетельствуют о том, что митохондрии также могут подвергаться слиянию и обмену (в форме кроссинговера ) генетическим материалом между собой. Митохондрии иногда образуют большие матрицы, в которых постоянно происходят слияние , деление и обмен белками. мтДНК разделяется между митохондриями (несмотря на то, что они могут подвергаться слиянию). [ необходима цитата ]
Митохондриальная ДНК подвержена повреждению свободными радикалами кислорода из-за ошибок, которые происходят во время производства АТФ через электронно-транспортную цепь. Эти ошибки могут быть вызваны генетическими нарушениями, раком и колебаниями температуры. Эти радикалы могут повреждать молекулы мтДНК или изменять их, затрудняя их репликацию митохондриальной полимеразой. Оба случая могут приводить к делециям, перестройкам и другим мутациям. Последние данные свидетельствуют о том, что митохондрии имеют ферменты, которые проверяют мтДНК и исправляют мутации, которые могут возникнуть из-за свободных радикалов. Считается, что ДНК-рекомбиназа, обнаруженная в клетках млекопитающих, также участвует в процессе репарационной рекомбинации. Делеции и мутации из-за свободных радикалов связаны с процессом старения. Считается, что радикалы вызывают мутации, которые приводят к мутантным белкам, которые, в свою очередь, приводят к большему количеству радикалов. Этот процесс занимает много лет и связан с некоторыми процессами старения, вовлеченными в кислород-зависимые ткани, такие как мозг, сердце, мышцы и почки. Такие аутоусиливающие процессы являются возможными причинами дегенеративных заболеваний, включая болезнь Паркинсона , болезнь Альцгеймера и ишемическую болезнь сердца . [ необходима ссылка ]
Поскольку рост и деление митохондрий опосредованы ядерной ДНК, мутации в ядерной ДНК могут иметь широкий спектр эффектов на репликацию мтДНК. Несмотря на то, что локусы для некоторых из этих мутаций были обнаружены на хромосомах человека, конкретные гены и белки, участвующие в этом, еще не были выделены. Митохондриям нужен определенный белок для деления. Если этот белок (генерируемый ядром) отсутствует, митохондрии растут, но не делятся. Это приводит к гигантским, неэффективным митохондриям. Ошибки в хромосомных генах или их продуктах также могут влиять на репликацию митохондрий более непосредственно, ингибируя митохондриальную полимеразу, и могут даже вызывать мутации в мтДНК напрямую и косвенно. Косвенные мутации чаще всего вызываются радикалами, созданными дефектными белками, полученными из ядерной ДНК. [ необходима цитата ]
В общей сложности митохондрия содержит около 3000 различных типов белков, но только около 13 из них закодированы в митохондриальной ДНК. Большинство из 3000 типов белков участвуют в различных процессах, отличных от производства АТФ, таких как синтез порфирина . Только около 3% из них кодируют белки производства АТФ. Это означает, что большая часть генетической информации, кодирующей белковый состав митохондрий, находится в хромосомной ДНК и участвует в процессах, отличных от синтеза АТФ. Это увеличивает вероятность того, что мутация, которая повлияет на митохондрию, произойдет в хромосомной ДНК, которая наследуется по менделевскому шаблону. Другим результатом является то, что хромосомная мутация повлияет на определенную ткань из-за ее особых потребностей, будь то высокие энергетические потребности или потребность в катаболизме или анаболизме определенного нейротрансмиттера или нуклеиновой кислоты. Поскольку каждая митохондрия несет несколько копий митохондриального генома (2–10 у человека), митохондриальные мутации могут наследоваться по материнской линии посредством мутаций мтДНК, которые присутствуют в митохондриях внутри ооцита до оплодотворения, или (как указано выше) посредством мутаций в хромосомах. [ необходима цитата ]
Митохондриальные заболевания варьируются по степени тяжести от бессимптомных до смертельных и чаще всего вызваны унаследованными, а не приобретенными мутациями митохондриальной ДНК. Определенная митохондриальная мутация может вызывать различные заболевания в зависимости от серьезности проблемы в митохондриях и ткани, в которой находятся пораженные митохондрии. И наоборот, несколько различных мутаций могут проявляться как одно и то же заболевание. Эта почти специфичная для пациента характеристика митохондриальных заболеваний (см. Персонализированная медицина ) делает их очень сложными для точного распознавания, диагностики и отслеживания. Некоторые заболевания наблюдаются при рождении или даже до него (многие приводят к смерти), в то время как другие не проявляются до позднего взрослого возраста (заболевания с поздним началом). Это связано с тем, что количество мутантных по сравнению с дикими типами митохондрий различается между клетками и тканями и постоянно меняется. Поскольку клетки имеют несколько митохондрий, разные митохондрии в одной и той же клетке могут иметь разные вариации мтДНК . Это состояние называется гетероплазмией . Когда определенная ткань достигает определенного соотношения мутантных и диких митохондрий, проявится болезнь. Соотношение варьируется от человека к человеку и от ткани к ткани (в зависимости от ее конкретных потребностей в энергии, кислороде и метаболизме, а также эффектов конкретной мутации). Митохондриальные заболевания очень многочисленны и различны. Помимо заболеваний, вызванных аномалиями в митохондриальной ДНК, многие заболевания, как предполагается, частично связаны с митохондриальными дисфункциями, такими как сахарный диабет , [15] формы рака [16] и сердечно-сосудистые заболевания , лактатацидоз , [17] определенные формы миопатии , [18] остеопороз , [19] болезнь Альцгеймера , [20] болезнь Паркинсона , [21] инсульт , [22] мужское бесплодие [23] и которые, как полагают, также играют роль в процессе старения . [24]
Человеческая мтДНК также может использоваться для идентификации людей. [25] Судебно-медицинские лаборатории иногда используют сравнение мтДНК для идентификации человеческих останков, и особенно для идентификации старых неопознанных останков скелета. Хотя в отличие от ядерной ДНК, мтДНК не является специфичной для одного человека, ее можно использовать в сочетании с другими доказательствами (антропологическими доказательствами, косвенными доказательствами и т. п.) для установления личности. мтДНК также используется для исключения возможных совпадений между пропавшими без вести лицами и неопознанными останками. [26] Многие исследователи считают, что мтДНК лучше подходит для идентификации старых останков скелета, чем ядерная ДНК, потому что большее количество копий мтДНК на клетку увеличивает шансы получения полезного образца, и потому что совпадение с живым родственником возможно, даже если их разделяют многочисленные материнские поколения.
Останки американского преступника Джесси Джеймса были идентифицированы с помощью сравнения мтДНК, извлеченной из его останков, и мтДНК сына правнучки его сестры по женской линии. [27]
Аналогичным образом останки Александры Федоровны (Аликс Гессенской) , последней императрицы России, и ее детей были идентифицированы путем сравнения их митохондриальной ДНК с ДНК принца Филиппа, герцога Эдинбургского , чьей бабушкой по материнской линии была сестра Александры Виктория Гессенская . [28]
Аналогично для идентификации останков императора Николая II его митохондриальная ДНК была сравнена с ДНК Джеймса Карнеги, 3-го герцога Файфа , прабабушка которого по материнской линии Александра Датская (королева Александра) была сестрой матери Николая II Дагмар Датской (императрицы Марии Федоровны). [28] [29]
Аналогичным образом были идентифицированы останки короля Ричарда III . [30]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) {{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) {{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )