Struktur asam nukleat.

N. to.- adalah makromolekul informasi universal sel, fungsi utamanya adalah: 1) Penyimpanan informasi herediter dalam bentuk kode genetik. 2) Reproduksi informasi herediter dengan duplikasi diri atau replikasi DNA. 3) Implementasi informasi herediter dalam proses biosintesis protein. N.to untuk pertama kalinya diterima dari inti sel nanah. Analisis kimia menunjukkan bahwa ada dua jenis n untuk: 1) DNA, 2) RNA. DNA ditemukan di nukleus, mitokondria, dan sentriol. RNA ditemukan di nukleus, nukleolus, ribosom, dan mitokondria. Dalam istilah kimia, n ke - polimer terdiri dari rantai polinukleotida, monomer n. ke. yav - nukleotida. Ada 4 jenis DNA: A, T, G, C. Dalam RNA, Timin digantikan oleh Urasil. Menurut strukturnya, Adenin dan Guanin adalah basa purin

Sifat dan fungsi DNA.

Analisis kimia menunjukkan bahwa ada dua jenis n untuk: 1) DNA, 2) RNA. DNA ditemukan di nukleus, mitokondria, dan sentriol. RNA ditemukan di nukleus, nukleolus, ribosom, dan mitokondria. Dalam istilah kimia, n ke - polimer terdiri dari rantai polinukleotida, monomer n. ke. yav - nukleotida. Ada 4 jenis DNA: A, T, G, C. Dalam RNA, Timin digantikan oleh Urasil. Menurut strukturnya, Adenin dan Guanin adalah basa purin

1 cincin benzena) T, C, U (basa pirimidin - 2 cincin benzena). DNA adalah heliks yang terdiri dari dua rantai polinukleotida. Rantai polinukleotida terdiri dari nukleotida yang terhubung satu sama lain oleh ikatan hidrogen yang membentuk pasangan komplementer. Dalam DNA A=T, G=C (Aturan Chargaff 1951). Nukleotida-nukleotida pada setiap untai DNA dihubungkan satu sama lain sehingga karbon gula ke-5 dari nukleotida sebelumnya terhubung dengan karbon gula ke-3 dari nukleotida berikutnya. Karena ikatan ini, molekul DNA memiliki dua ujung. Diameter heliks LNC adalah 2 nm. Satu putaran heliks adalah 3,4 nm. Jarak antar nukleotida adalah 0,34 nm. Setiap putaran heliks berisi 10 pasangan basa. Ada beberapa tingkat organisasi dalam DNA: 1) Struktur primer adalah urutan di mana nukleotida disusun dalam rantai komplementer. 2) Struktur sekunder adalah heliks ganda DNA. 3) Tersier - DNA dalam komposisi kromosom.

Fitur struktural DNA mitokondria.

DNA mitokondria (mtDNA) - DNA terlokalisasi (tidak seperti DNA inti) di mitokondria, organel sel eukariotik.

Pada sebagian besar organisme yang dipelajari, mitokondria hanya mengandung molekul DNA sirkular, pada beberapa tumbuhan molekul sirkular dan linier hadir secara bersamaan, dan pada sejumlah protista (misalnya, ciliata) hanya ada molekul linier. Mitokondria mamalia biasanya mengandung dua sampai sepuluh salinan identik dari molekul DNA melingkar. Pada tumbuhan, setiap mitokondria mengandung beberapa molekul DNA dengan ukuran berbeda yang mampu melakukan rekombinasi.Pada protista dari ordo kinetoplastid (misalnya, trypanosom), bagian khusus mitokondria (kinetoplast) mengandung dua jenis molekul DNA - maxi- cincin (20-50 buah) panjangnya sekitar 21 kb. dan mini-ring (20.000 - 55.000 buah, sekitar 300 varietas, panjang rata-rata sekitar 1000 bp). Semua cincin terhubung dalam satu jaringan (catenans), yang dihancurkan dan dipulihkan dengan setiap siklus replikasi. Maxi-cincin homolog dengan DNA mitokondria organisme lain. Setiap mini-ring berisi empat wilayah lestari yang serupa dan empat wilayah hipervariabel yang unik. Minicircles mengkodekan molekul RNA panduan pendek (guideRNA) yang mengedit RNA yang ditranskripsi dari gen maxicircle. DNA mitokondria (mtDNA) adalah genom organel sel - mitokondria. Asal endosimbiotik organel ini menentukan keberadaan semi-otonom dari sistem genetik mitokondria. Jadi, sintesis DNA di mitokondria berlangsung secara independen dari sintesis DNA nuklir, dan pewarisan struktur genetik sitoplasma ini - kromosom mitokondria - biasanya terjadi secara ketat di sepanjang garis ibu. Ini memberi penulis alasan untuk secara kondisional memilih totalitas gen mitokondria dan setiap fragmen mtDNA yang mereplikasi ke dalam sumber daya genetik terpisah dari populasi - kumpulan gen mitokondria. Struktur yang mengandung DNA dalam mitokondria diidentifikasi pada tahun 60-an. Selama seperempat abad terakhir, organisasi struktural dan fungsional genom mitokondria manusia dan banyak spesies hewan telah dipelajari secara rinci. Kromosom mitokondria diwakili oleh molekul DNA untai ganda melingkar, yang hadir dalam organel dalam bentuk superkoil tertutup kovalen yang terkait dengan membran mitokondria bagian dalam. Setiap organel mengandung 1 sampai 8 molekul DNA, yaitu 1000 sampai 8000 eksemplar per sel. Sebagai aturan, satu organisme memiliki satu bentuk mtDNA, yaitu. satu haplotipe yang diwarisi dari garis ibu.

jenis RNA dalam sel.

Ada tiga jenis RNA dalam sel: 1) I-RNA (messenger atau messenger RNA).

2) R-RNA (RNA ribosom).

3) T-RNA (RNA transfer)

Messenger RNA - disintesis dan ditranskripsi menjadi DNA dan membawa informasi untuk sintesis protein. R-RNA dan T-RNA disintesis dalam nukleolus nukleus. Nukleolus adalah wilayah kromosom yang memiliki satelit. DNA nukleolus mengandung gen tempat R-RNA dan T-RNA disintesis. rRNA ditemukan di ribosom (dalam subunit kecil dan besar). Tujuan: melalui subunit kecil AK, ia menempel pada T-RNA melalui ATP. Perbedaan antara DNA dan RNA: 1) RNA terdiri dari rantai tunggal. 2) Dalam RNA, gulanya adalah ribosa. 3) RNA lebih pendek dari DNA. 4) T-RNA memiliki bentuk struktur tersier. Matriks (informasi) RNA - RNA, yang berfungsi sebagai perantara dalam transfer informasi yang dikodekan dalam DNA ke ribosom, mesin molekuler yang mensintesis protein organisme hidup. Urutan pengkodean mRNA menentukan urutan asam amino dari rantai polipeptida protein.

Transport (tRNA) - kecil, terdiri dari sekitar 80 nukleotida, molekul dengan struktur tersier konservatif. Mereka membawa asam amino spesifik ke tempat sintesis ikatan peptida di ribosom. Setiap tRNA mengandung situs perlekatan asam amino dan antikodon untuk pengenalan dan perlekatan pada kodon mRNA. RNA ribosom (rRNA) adalah komponen katalitik ribosom. Ribosom eukariotik mengandung empat jenis molekul rRNA: 18S, 5.8S, 28S, dan 5S. Tiga dari empat jenis rRNA disintesis dalam nukleolus. Di sitoplasma, RNA ribosom bergabung dengan protein ribosom untuk membentuk nukleoprotein yang disebut ribosom. Ribosom menempel pada mRNA dan mensintesis protein. rRNA menyumbang hingga 80% dari RNA yang ditemukan di sitoplasma sel eukariotik

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

Beras. Ukuran relatif mitokondria di berbagai organisme.

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

Apa itu DNA mitokondria?

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

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

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

Hipotesis asal usul mitokondria

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

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

Keahlian genetik mtDNA

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

warisan ibu

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

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

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

Mutasi DNA mitokondria

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

warisan ayah

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

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

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

Donasi mitokondria

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

Struktur DNA mitokondria

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

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

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

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

Menguraikan genom hewan

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

Menguraikan genom tanaman

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

Menguraikan genom protista

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

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

Replikasi DNA mitokondria

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

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

Transkripsi DNA mitokondria

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

Penyakit mitokondria

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

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

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

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

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

Mekanisme penuaan

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

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

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

Bagaimana DNA mitokondria berbeda dari nuklir?

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

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

Sejarah penemuan mtDNA

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

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

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

database mtDNA

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

• MitoSatPlant: Basis Data Mikrosatelit Viridiplant Mitokondria.

• MitoBreak: Database Pos Pemeriksaan DNA mitokondria.

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

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

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

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

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

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

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

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

Gen yang tetap dalam proses evolusi di "stasiun energi sel" membantu menghindari masalah dalam pengelolaan: jika ada yang rusak di mitokondria, ia dapat memperbaikinya sendiri, tanpa menunggu izin dari "pusat".

Sel kita mendapatkan energi dari organel khusus yang disebut mitokondria, yang sering disebut sebagai pembangkit tenaga sel. Dari luar, mereka terlihat seperti tangki berdinding ganda, dan dinding bagian dalam sangat tidak rata, dengan banyak tonjolan kuat.

Sel dengan nukleus (berwarna biru) dan mitokondria (berwarna merah). (Foto oleh NICHD/Flickr.com.)

Penampang mitokondria, hasil dari membran bagian dalam terlihat sebagai garis-garis internal memanjang. (Foto oleh Visuals Unlimited/Corbis.)

Di mitokondria, sejumlah besar reaksi biokimia terjadi, di mana molekul "makanan" secara bertahap teroksidasi dan terurai, dan energi ikatan kimianya disimpan dalam bentuk yang nyaman bagi sel. Tetapi, selain itu, "stasiun energi" ini memiliki DNA mereka sendiri dengan gen, yang dilayani oleh mesin molekuler mereka sendiri yang menyediakan sintesis RNA dengan sintesis protein berikutnya.

Dipercaya bahwa mitokondria di masa lalu yang sangat jauh adalah bakteri independen yang dimakan oleh beberapa makhluk bersel tunggal lainnya (dengan kemungkinan besar, archaea). Tapi suatu hari, "predator" tiba-tiba berhenti mencerna protomitochondria yang tertelan, menyimpannya di dalam diri mereka sendiri. Pergesekan panjang simbion satu sama lain dimulai; akibatnya, mereka yang tertelan menjadi lebih sederhana dalam struktur dan menjadi organel intraseluler, dan "pemilik" mereka mendapat kesempatan, karena energi yang lebih efisien, untuk berkembang lebih jauh, menjadi bentuk kehidupan yang semakin kompleks, hingga tumbuhan dan hewan. .

Fakta bahwa mitokondria dulunya independen dibuktikan dengan sisa-sisa perangkat genetik mereka. Tentu saja, jika Anda tinggal di dalam dengan segala sesuatu yang siap, kebutuhan untuk mengandung gen Anda sendiri menghilang: DNA mitokondria modern dalam sel manusia hanya mengandung 37 gen - melawan 20-25 ribu gen yang terkandung dalam DNA nuklir. Banyak dari gen mitokondria telah pindah ke inti sel selama jutaan tahun evolusi: protein yang dikodekan disintesis dalam sitoplasma dan kemudian diangkut ke mitokondria. Namun, pertanyaan segera muncul: mengapa 37 gen masih tetap berada di tempatnya?

Mitokondria, kami ulangi, ada di semua organisme eukariotik, yaitu, pada hewan, dan pada tumbuhan, dan pada jamur, dan pada protozoa. Ian Johnston ( Iain Johnston) dari Universitas Birmingham dan Ben Williams ( Ben P Williams) dari Whitehead Institute menganalisis lebih dari 2.000 genom mitokondria yang diambil dari berbagai eukariota. Dengan menggunakan model matematika khusus, para peneliti dapat memahami gen mana selama evolusi yang lebih mungkin untuk tetap berada di mitokondria.

© G.M. Dymshits

Kejutan dari genom mitokondria

G.M. orang gila

Grigory Moiseevich Dymshits, Doktor Ilmu Biologi, Profesor Departemen Biologi Molekuler, Universitas Negeri Novosibirsk, Kepala Laboratorium Struktur Genom, Institut Sitologi dan Genetika, Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. Rekan penulis dan editor empat buku teks sekolah tentang biologi umum.

Seperempat abad telah berlalu sejak penemuan molekul DNA di mitokondria sebelum mereka menjadi tertarik tidak hanya pada ahli biologi molekuler dan sitologi, tetapi juga pada genetika, evolusionis, serta ahli paleontologi dan ilmuwan forensik, sejarawan, dan ahli bahasa. Minat yang begitu luas dipicu oleh karya A. Wilson dari University of California. Pada tahun 1987, ia menerbitkan hasil analisis komparatif DNA mitokondria yang diambil dari 147 perwakilan kelompok etnis yang berbeda dari semua ras manusia yang menghuni lima benua. Menurut jenis, lokasi dan jumlah mutasi individu, ditetapkan bahwa semua DNA mitokondria berasal dari urutan nukleotida leluhur yang sama melalui divergensi. Dalam pers pseudo-ilmiah, kesimpulan ini ditafsirkan sangat disederhanakan - semua umat manusia berasal dari satu wanita, yang disebut mitokondria Hawa (anak perempuan dan laki-laki menerima mitokondria hanya dari ibu mereka), yang tinggal di Afrika Timur Laut sekitar 200 ribu tahun yang lalu. Setelah 10 tahun berikutnya, adalah mungkin untuk menguraikan fragmen DNA mitokondria yang diisolasi dari sisa-sisa Neanderthal, dan untuk memperkirakan waktu keberadaan nenek moyang terakhir manusia dan Neanderthal pada 500 ribu tahun yang lalu.

Saat ini, genetika mitokondria manusia berkembang secara intensif baik dalam populasi maupun dalam aspek medis. Hubungan telah dibuat antara sejumlah penyakit keturunan yang parah dan cacat pada DNA mitokondria. Perubahan genetik yang terkait dengan penuaan paling menonjol di mitokondria. Apa genom mitokondria, yang berbeda pada manusia dan hewan lain dari tanaman, jamur dan protozoa dalam hal ukuran, bentuk, dan kapasitas genetik? Bagaimana cara kerjanya dan bagaimana genom mitokondria berasal dari taksa yang berbeda? Ini akan dibahas di artikel kami.

Mitokondria disebut pembangkit tenaga sel. Selain membran halus luar, mereka memiliki membran dalam yang membentuk banyak lipatan - krista. Komponen protein dari rantai pernapasan dibangun di dalamnya - enzim yang terlibat dalam konversi energi ikatan kimia nutrisi teroksidasi menjadi energi molekul asam adenosin trifosfat (ATP). Dengan "mata uang yang dapat dikonversi" seperti itu, sel membayar semua kebutuhan energinya. Di sel tumbuhan hijau, selain mitokondria, ada juga stasiun energi lain - kloroplas. Mereka bekerja pada "baterai surya", tetapi mereka juga membentuk ATP dari ADP dan fosfat. Seperti mitokondria, kloroplas - organel yang bereplikasi secara otonom - juga memiliki dua membran dan mengandung DNA.

Selain DNA, matriks mitokondria mengandung ribosomnya sendiri, yang berbeda dalam banyak karakteristik dari ribosom eukariotik yang terletak di membran retikulum endoplasma. Namun, ribosom mitokondria membentuk tidak lebih dari 5% dari semua protein yang menyusun komposisinya. Sebagian besar protein yang membentuk komponen struktural dan fungsional mitokondria dikodekan oleh genom nuklir, disintesis pada ribosom retikulum endoplasma, dan diangkut melalui salurannya ke tempat perakitan. Dengan demikian, mitokondria adalah hasil dari upaya gabungan dari dua genom dan dua peralatan untuk transkripsi dan translasi. Beberapa enzim subunit dari rantai pernapasan mitokondria terdiri dari polipeptida yang berbeda, beberapa di antaranya dikodekan oleh nukleus dan beberapa oleh genom mitokondria. Misalnya, enzim kunci fosforilasi oksidatif, sitokrom c oksidase, dalam ragi terdiri dari tiga subunit yang dikodekan dan disintesis di mitokondria dan empat subunit yang dikodekan dalam inti sel dan disintesis di sitoplasma. Ekspresi sebagian besar gen mitokondria dikendalikan oleh gen nuklir tertentu.

Ukuran dan bentuk genom mitokondria

Sampai saat ini, lebih dari 100 genom mitokondria yang berbeda telah dibaca. Himpunan dan jumlah gen mereka dalam DNA mitokondria, yang urutan nukleotidanya sepenuhnya ditentukan, sangat bervariasi pada berbagai spesies hewan, tumbuhan, jamur, dan protozoa. Jumlah gen terbesar ditemukan dalam genom mitokondria dari protozoa berflagel Rectinomonas americana- 97 gen, termasuk semua gen penyandi protein yang ditemukan dalam mtDNA organisme lain. Pada sebagian besar hewan tingkat tinggi, genom mitokondria mengandung 37 gen: 13 untuk protein rantai pernapasan, 22 untuk tRNA, dan dua untuk rRNA (untuk subunit ribosom besar 16S rRNA dan untuk 12S rRNA kecil). Pada tumbuhan dan protozoa, tidak seperti hewan dan kebanyakan jamur, genom mitokondria juga mengkode beberapa protein yang membentuk ribosom organel ini. Enzim kunci dari sintesis polinukleotida template, seperti DNA polimerase (replikasi DNA mitokondria) dan RNA polimerase (mentranskripsi genom mitokondria), dikodekan dalam nukleus dan disintesis pada ribosom sitoplasma. Fakta ini menunjukkan otonomi relatif mitokondria dalam hierarki kompleks sel eukariotik.

Genom mitokondria dari spesies yang berbeda berbeda tidak hanya dalam set gen, urutan lokasi dan ekspresinya, tetapi juga dalam ukuran dan bentuk DNA. Sebagian besar genom mitokondria yang dijelaskan hari ini adalah molekul DNA untai ganda melingkar superkoil. Di beberapa tanaman, bersama dengan bentuk cincin, ada juga yang linier, dan di beberapa protozoa, misalnya, ciliates, hanya DNA linier yang ditemukan di mitokondria.

Biasanya, setiap mitokondria berisi beberapa salinan genomnya. Jadi, dalam sel hati manusia ada sekitar 2 ribu mitokondria, dan di masing-masingnya ada 10 genom identik. Dalam fibroblas tikus, ada 500 mitokondria yang mengandung dua genom, dan dalam sel ragi S.cerevisiae- hingga 22 mitokondria dengan masing-masing empat genom.

Genom mitokondria tanaman, sebagai suatu peraturan, terdiri dari beberapa molekul dengan ukuran berbeda. Salah satunya, "kromosom utama", mengandung sebagian besar gen, dan bentuk cincin dengan panjang yang lebih kecil, yang berada dalam keseimbangan dinamis baik satu sama lain dan dengan kromosom utama, terbentuk sebagai hasil rekombinasi intra dan intermolekul karena dengan adanya urutan berulang (Gbr. 1).

Gambar 1. Skema pembentukan molekul DNA sirkular dengan ukuran berbeda di mitokondria tumbuhan.
Rekombinasi terjadi di situs berulang (ditunjukkan dengan warna biru).

Gambar 2. Skema pembentukan oligomer mtDNA linier (A), melingkar (B), rantai (C).
ori - wilayah asal replikasi DNA.

Ukuran genom mitokondria dari organisme yang berbeda berkisar dari kurang dari 6 ribu pasangan basa dalam plasmodium malaria (selain dua gen rRNA, hanya mengandung tiga gen yang mengkode protein) hingga ratusan ribu pasangan basa pada tanaman terestrial (misalnya , di Arabidopsis thaliana dari keluarga silangan 366924 pasangan basa). Pada saat yang sama, perbedaan 7-8 kali lipat dalam ukuran mtDNA tanaman tingkat tinggi ditemukan bahkan dalam keluarga yang sama. Panjang mtDNA vertebrata sedikit berbeda: pada manusia - 16569 pasangan basa, pada babi - 16350, pada lumba-lumba - 16330, pada katak cakar Xenopus laevis- 17533, ikan mas - 16400. Genom ini juga mirip dalam hal lokalisasi gen, yang sebagian besar terletak ujung ke ujung; dalam beberapa kasus mereka bahkan tumpang tindih, biasanya oleh satu nukleotida, sehingga nukleotida terakhir dari satu gen adalah yang pertama di berikutnya. Tidak seperti vertebrata, pada tumbuhan, jamur, dan protozoa, mtDNA mengandung hingga 80% dari urutan non-coding. Pada spesies yang berbeda, urutan gen dalam genom mitokondria berbeda.

Konsentrasi spesies oksigen reaktif yang tinggi di mitokondria dan sistem perbaikan yang lemah meningkatkan frekuensi mutasi mtDNA dibandingkan dengan mutasi nuklir berdasarkan urutan besarnya. Radikal oksigen menyebabkan substitusi spesifik C®T (deaminasi sitosin) dan G®T (kerusakan oksidatif pada guanin), yang dapat mengakibatkan mtDNA kaya akan pasangan AT. Selain itu, semua mtDNA memiliki sifat yang menarik - mereka tidak termetilasi, tidak seperti DNA nuklir dan prokariotik. Diketahui bahwa metilasi (modifikasi kimia sementara dari urutan nukleotida tanpa mengganggu fungsi pengkodean DNA) adalah salah satu mekanisme inaktivasi gen terprogram.

Replikasi dan transkripsi DNA di mitokondria mamalia

Pada kebanyakan hewan, rantai komplementer dalam mtDNA berbeda secara signifikan dalam kepadatan spesifik, karena mengandung jumlah purin yang berbeda dan nukleotida pirimidin "ringan" dalam jumlah yang berbeda. Jadi mereka disebut - rantai H (berat - berat) dan L (ringan - ringan). Pada awal replikasi molekul mtDNA, yang disebut D-loop (dari loop perpindahan bahasa Inggris) terbentuk. Struktur ini, terlihat di bawah mikroskop elektron, terdiri dari bagian untai ganda dan untai tunggal (bagian rantai H yang ditarik). Daerah untai ganda dibentuk oleh bagian dari rantai-L dan pelengkap fragmen DNA yang baru disintesis dengan panjang 450-650 (tergantung pada jenis organisme) nukleotida, memiliki primer ribonukleotida di ujung 5', yang sesuai dengan titik awal sintesis rantai-H (ori H). Sintesis Rantai-L dimulai hanya ketika rantai-H anak mencapai titik ori L. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa daerah inisiasi replikasi rantai-L adalah dapat diakses oleh enzim sintesis DNA hanya dalam keadaan untai tunggal, dan oleh karena itu, hanya dalam heliks ganda yang tidak terpilin selama sintesis untai-H Dengan demikian, untai anak mtDNA disintesis secara kontinu dan asinkron (Gbr. 3).

Gambar 3. Skema replikasi mtDNA pada mamalia.
Pertama, D-loop terbentuk, kemudian anak H-strand disintesis,
kemudian sintesis rantai-L anak dimulai.

Di mitokondria, jumlah total molekul D-loop secara signifikan melebihi jumlah molekul yang bereplikasi sepenuhnya. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa D-loop memiliki fungsi tambahan - perlekatan mtDNA ke membran dalam dan inisiasi transkripsi, karena promotor transkripsi dari kedua untai DNA terlokalisasi di wilayah ini.

Tidak seperti kebanyakan gen eukariotik, yang ditranskripsi secara independen satu sama lain, masing-masing rantai mtDNA mamalia ditulis ulang untuk membentuk satu molekul RNA yang dimulai di wilayah ori H. Selain dua molekul RNA panjang ini, yang melengkapi rantai H dan L, lebih banyak bagian pendek dari rantai-H yang dimulai pada titik yang sama dan berakhir pada ujung 3" dari gen 16S rRNA (Gbr. 4). Ada 10 kali lebih banyak transkrip pendek daripada transkrip panjang. Sebagai hasil dari pematangan ( pemrosesan), 12S rRNA dibentuk dari mereka dan 16S rRNA terlibat dalam pembentukan ribosom mitokondria, serta tRNA fenilalanin dan valin. Sisa tRNA dikeluarkan dari transkrip panjang dan mRNA yang diterjemahkan terbentuk, ke ujung 3" di mana poliadenil urutan dilampirkan. Ujung 5' dari mRNA ini tidak tertutup, yang tidak biasa untuk eukariota.Penyambungan (fusi) tidak terjadi, karena tidak ada gen mitokondria mamalia yang mengandung intron.

Gambar 4. Transkripsi mtDNA manusia yang mengandung 37 gen. Semua transkrip mulai disintesis di wilayah ori H. RNA ribosom dikeluarkan dari transkrip rantai H panjang dan pendek. tRNA dan mRNA terbentuk sebagai hasil pemrosesan dari transkrip kedua untai DNA. gen tRNA ditampilkan dalam warna hijau muda.

Kejutan dari genom mitokondria

Terlepas dari kenyataan bahwa genom mitokondria mamalia dan ragi mengandung jumlah gen yang kira-kira sama, ukuran genom ragi 4-5 kali lebih besar - sekitar 80 ribu pasangan basa. Meskipun urutan pengkodean mtDNA ragi sangat homolog dengan yang ada pada manusia, mRNA ragi juga memiliki pemimpin 5' dan daerah non-pengkode 3', seperti kebanyakan mRNA nuklir. Beberapa gen juga mengandung intron. Misalnya, gen kotak yang mengkode sitokrom oksidase b memiliki dua intron. Salinan sebagian besar intron pertama dikeluarkan secara autokatalitik (tanpa partisipasi protein apa pun) dari transkrip RNA primer. RNA yang tersisa berfungsi sebagai cetakan untuk pembentukan enzim maturase yang terlibat dalam penyambungan. Bagian dari urutan asam aminonya dikodekan dalam salinan intron yang tersisa. Maturase memotongnya, menghancurkan mRNA sendiri, salinan ekson menyatu, dan mRNA untuk sitokrom oksidase b terbentuk (Gbr. 5). Penemuan fenomena seperti itu memaksa kami untuk mempertimbangkan kembali konsep intron sebagai "urutan pengkodean tidak ada".

Gambar 5. Pemrosesan (pematangan) sitokrom oksidase b mRNA dalam mitokondria ragi.
Pada tahap pertama penyambungan, mRNA terbentuk, yang dengannya maturase disintesis,
diperlukan untuk tahap kedua penyambungan.

Saat mempelajari ekspresi gen mitokondria Trypanosoma brucei menemukan penyimpangan yang mengejutkan dari salah satu aksioma dasar biologi molekuler, yang mengatakan bahwa urutan nukleotida dalam mRNA persis sama dengan yang ada di daerah pengkodean DNA. Ternyata mRNA salah satu subunit sitokrom c oksidase diedit; setelah transkripsi, struktur utamanya berubah - empat urasil dimasukkan. Akibatnya, mRNA baru terbentuk, yang berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis subunit tambahan enzim, urutan asam amino yang tidak ada hubungannya dengan urutan yang dikodekan oleh mRNA yang tidak diedit (lihat tabel).

Pertama kali ditemukan di mitokondria trypanosome, pengeditan RNA tersebar luas di kloroplas dan mitokondria tumbuhan tingkat tinggi. Ini juga telah ditemukan di sel somatik mamalia, misalnya, di epitel usus manusia, mRNA dari gen apolipoprotein diedit.

Mitokondria menyajikan kejutan terbesar bagi para ilmuwan pada tahun 1979. Sampai saat itu, diyakini bahwa kode genetik bersifat universal dan kembar tiga yang sama mengkodekan asam amino yang sama pada bakteri, virus, jamur, tumbuhan dan hewan. Peneliti Inggris Burrell membandingkan struktur salah satu gen mitokondria anak sapi dengan urutan asam amino dalam subunit sitokrom oksidase yang dikodekan oleh gen ini. Ternyata kode genetik mitokondria pada sapi (juga pada manusia) tidak hanya berbeda dari yang universal, tetapi juga "ideal", yaitu. mematuhi aturan berikut: "jika dua kodon memiliki dua nukleotida identik, dan nukleotida ketiga termasuk dalam kelas yang sama (purin - A, G, atau pirimidin - U, C), maka mereka mengkode asam amino yang sama." Ada dua pengecualian untuk aturan ini dalam kode universal: triplet AUA mengkodekan isoleusin, dan kodon AUG mengkodekan metionin, sedangkan dalam kode mitokondria ideal kedua kembar tiga ini mengkodekan metionin; triplet UGG hanya mengkode triptofan, sedangkan triplet UGA mengkodekan kodon stop. Dalam kode universal, kedua penyimpangan berhubungan dengan momen fundamental sintesis protein: kodon AUG memulai, dan kodon stop UGA menghentikan sintesis polipeptida. Kode ideal tidak melekat pada semua mitokondria yang dijelaskan, tetapi tidak satupun dari mereka memiliki kode universal. Dapat dikatakan bahwa mitokondria berbicara dalam bahasa yang berbeda, tetapi tidak pernah menggunakan bahasa nukleus.

Seperti yang telah disebutkan, ada 22 gen tRNA dalam genom mitokondria vertebrata. Bagaimana set yang tidak lengkap seperti itu melayani semua 60 kodon untuk asam amino (kode ideal 64 kembar tiga memiliki empat kodon stop, sedangkan kode universal memiliki tiga)? Faktanya adalah bahwa selama sintesis protein di mitokondria, interaksi kodon-antikodon disederhanakan - dua dari tiga nukleotida antikodon digunakan untuk pengenalan. Dengan demikian, satu tRNA mengenali keempat perwakilan keluarga kodon, yang hanya berbeda dalam nukleotida ketiga. Misalnya, tRNA leusin dengan antikodon GAU berdiri di atas ribosom yang berlawanan dengan kodon CUU, CUU, CUA, dan CUG, memastikan inklusi leusin yang jelas dalam rantai polipeptida. Dua kodon leusin lainnya UUA dan UUG dikenali oleh tRNA dengan antikodon AAU. Secara total, delapan molekul tRNA yang berbeda mengenali delapan keluarga dari empat kodon masing-masing, dan 14 tRNA mengenali pasangan kodon yang berbeda, masing-masing mengkode satu asam amino.

Adalah penting bahwa enzim aminoasil-tRNA sintetase yang bertanggung jawab untuk perlekatan asam amino ke tRNA mitokondria yang sesuai dikodekan dalam inti sel dan disintesis pada ribosom retikulum endoplasma. Jadi, pada vertebrata, semua komponen protein dari sintesis mitokondria polipeptida dienkripsi dalam nukleus. Pada saat yang sama, sintesis protein di mitokondria tidak dihambat oleh sikloheksimida, yang menghambat kerja ribosom eukariotik, tetapi sensitif terhadap antibiotik eritromisin dan kloramfenikol, yang menghambat sintesis protein pada bakteri. Fakta ini menjadi salah satu argumen yang mendukung asal usul mitokondria dari bakteri aerob selama pembentukan simbiosis sel eukariotik.

Teori simbiosis tentang asal usul mitokondria

Hipotesis tentang asal usul mitokondria dan plastida tumbuhan dari bakteri endosimbion intraseluler diajukan oleh R. Altman pada tahun 1890. Selama abad perkembangan pesat biokimia, sitologi, genetika, dan biologi molekuler yang muncul setengah abad yang lalu, hipotesis tersebut berkembang. menjadi teori yang didasarkan pada sejumlah besar materi faktual. Esensinya adalah sebagai berikut: dengan munculnya bakteri fotosintetik di atmosfer bumi, oksigen terakumulasi - produk sampingan dari metabolisme mereka. Dengan peningkatan konsentrasinya, kehidupan heterotrof anaerobik menjadi lebih rumit, dan beberapa dari mereka beralih dari fermentasi bebas oksigen ke fosforilasi oksidatif untuk mendapatkan energi. Heterotrof aerobik seperti itu, dengan efisiensi yang lebih tinggi daripada bakteri anaerob, dapat menguraikan zat organik yang terbentuk sebagai hasil fotosintesis. Bagian dari aerob yang hidup bebas ditangkap oleh anaerob, tetapi tidak "dicerna", tetapi disimpan sebagai stasiun energi, mitokondria. Anda tidak boleh menganggap mitokondria sebagai budak yang ditawan untuk memasok molekul ATP ke sel-sel yang tidak mampu bernapas. Mereka agak "makhluk" yang, bahkan di Proterozoikum, menemukan tempat perlindungan terbaik untuk diri mereka sendiri dan keturunan mereka, di mana mereka dapat mengeluarkan sedikit usaha tanpa risiko dimakan.

Banyak fakta mendukung teori simbiosis:

- ukuran dan bentuk mitokondria dan bakteri aerob yang hidup bebas bertepatan; keduanya mengandung molekul DNA sirkular yang tidak terkait dengan histon (tidak seperti DNA nuklir linier);

Ribosom dan RNA transfer mitokondria berbeda dalam urutan nukleotida dari yang nuklir, sementara menunjukkan kesamaan yang mengejutkan dengan molekul serupa dari beberapa eubacteria gram negatif aerobik;

RNA polimerase mitokondria, meskipun dikodekan dalam inti sel, dihambat oleh rifampisin, seperti bakteri, dan RNA polimerase eukariotik tidak sensitif terhadap antibiotik ini;

Sintesis protein dalam mitokondria dan bakteri dihambat oleh antibiotik yang sama yang tidak mempengaruhi ribosom eukariotik;

Komposisi lipid membran mitokondria bagian dalam dan plasmalemma bakteri serupa, tetapi sangat berbeda dari membran mitokondria luar, yang homolog dengan membran sel eukariotik lainnya;

Krista yang dibentuk oleh membran mitokondria bagian dalam adalah analog evolusi dari membran mesosomal dari banyak prokariota;

Hingga saat ini, organisme telah bertahan yang meniru bentuk peralihan dalam perjalanan menuju pembentukan mitokondria dari bakteri (amoeba primitif). Pelomyxa tidak memiliki mitokondria, tetapi selalu mengandung bakteri endosimbiotik).

Ada gagasan bahwa kerajaan eukariota yang berbeda memiliki nenek moyang yang berbeda dan endosimbiosis bakteri muncul pada berbagai tahap evolusi organisme hidup. Hal ini juga dibuktikan dengan perbedaan struktur genom mitokondria dari protozoa, jamur, tumbuhan, dan hewan tingkat tinggi. Tetapi dalam semua kasus, bagian utama gen dari promitokondria masuk ke nukleus, mungkin dengan bantuan elemen genetik seluler. Ketika bagian dari genom salah satu simbion dimasukkan ke dalam genom simbion yang lain, integrasi simbion menjadi ireversibel.

Genom baru dapat membuat jalur metabolisme yang mengarah ke produk berguna yang tidak dapat disintesis oleh salah satu pasangan saja. Dengan demikian, sintesis hormon steroid oleh sel-sel korteks adrenal merupakan rangkaian reaksi yang kompleks, beberapa di antaranya terjadi di mitokondria, dan beberapa di retikulum endoplasma. Setelah menangkap gen promitokondria, nukleus mampu mengontrol fungsi simbion dengan andal. Nukleus mengkodekan semua protein dan sintesis lipid dari membran luar mitokondria, sebagian besar protein matriks dan membran dalam organel. Yang paling penting, nukleus mengkodekan enzim replikasi, transkripsi, dan translasi mtDNA, sehingga mengendalikan pertumbuhan dan reproduksi mitokondria. Tingkat pertumbuhan mitra dalam simbiosis harus kira-kira sama. Jika inang tumbuh lebih cepat, maka dengan setiap generasi jumlah simbion per satu individu akan berkurang, dan pada akhirnya akan muncul keturunan yang tidak memiliki mitokondria. Kita tahu bahwa setiap sel organisme yang bereproduksi secara seksual mengandung banyak mitokondria yang mereplikasi DNA mereka di antara divisi inang. Ini memastikan bahwa setiap sel anak menerima setidaknya satu salinan genom mitokondria.

Warisan sitoplasma

Selain pengkodean komponen kunci dari rantai pernapasan dan aparatus sintesis proteinnya sendiri, genom mitokondria, dalam beberapa kasus, terlibat dalam pembentukan beberapa sifat morfologis dan fisiologis. Fitur-fitur ini termasuk sindrom NCS (garis non-kromosom, bercak daun yang tidak dikodekan secara kromosom) dan sterilitas jantan sitoplasma (CMS), yang menyebabkan gangguan perkembangan serbuk sari normal, yang merupakan karakteristik dari sejumlah spesies tanaman yang lebih tinggi. Manifestasi dari kedua fitur tersebut disebabkan oleh perubahan struktur mtDNA. Dalam CMS, penataan ulang genom mitokondria diamati sebagai akibat dari peristiwa rekombinasi yang mengarah ke penghapusan, duplikasi, inversi, atau penyisipan urutan nukleotida tertentu atau seluruh gen. Perubahan tersebut dapat menyebabkan tidak hanya kerusakan pada gen yang ada, tetapi juga munculnya gen kerja baru.

Warisan sitoplasma, tidak seperti warisan nuklir, tidak mematuhi hukum Mendel. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pada hewan dan tumbuhan tingkat tinggi, gamet dari jenis kelamin yang berbeda mengandung jumlah mitokondria yang berbeda. Jadi, di dalam telur tikus ada 90 ribu mitokondria, dan di dalam sperma - hanya empat. Jelas, dalam telur yang dibuahi, mitokondria sebagian besar atau hanya dari individu wanita, yaitu. pewarisan semua gen mitokondria adalah ibu. Analisis genetik pewarisan sitoplasma sulit karena interaksi nuklir-sitoplasma. Dalam kasus sterilitas pria sitoplasma, genom mitokondria mutan berinteraksi dengan gen nuklir tertentu yang alel resesifnya diperlukan untuk pengembangan sifat tersebut. Alel dominan dari gen ini, baik dalam keadaan homo dan heterozigot, mengembalikan kesuburan tanaman, terlepas dari keadaan genom mitokondria.

Studi genom mitokondria, evolusinya, mengikuti hukum spesifik genetika populasi, hubungan antara sistem genetik nuklir dan mitokondria, diperlukan untuk memahami organisasi hierarkis kompleks sel eukariotik dan organisme secara keseluruhan.

Beberapa penyakit keturunan dan penuaan manusia berhubungan dengan mutasi tertentu pada DNA mitokondria atau pada gen nuklir yang mengontrol fungsi mitokondria. Data terakumulasi pada keterlibatan cacat mtDNA dalam karsinogenesis. Oleh karena itu, mitokondria dapat menjadi target kemoterapi kanker. Ada fakta tentang interaksi dekat genom nuklir dan mitokondria dalam pengembangan sejumlah patologi manusia. Penghapusan mtDNA multipel ditemukan pada pasien dengan kelemahan otot yang parah, ataksia, tuli, keterbelakangan mental, yang diturunkan secara autosomal dominan. Dimorfisme seksual telah ditetapkan dalam manifestasi klinis penyakit jantung koroner, yang kemungkinan besar disebabkan oleh efek ibu - hereditas sitoplasma. Pengembangan terapi gen menawarkan harapan untuk memperbaiki cacat pada genom mitokondria di masa mendatang.

Pekerjaan ini didukung oleh Yayasan Rusia untuk Riset Dasar. Proyek 01-04-48971.
Penulis berterima kasih kepada mahasiswa pascasarjana M.K. Ivanov, yang membuat gambar untuk artikel tersebut.

literatur

1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Sejarah kita tertulis dalam DNA // Alam. 2001. Nomor 6. hal.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Genom mitokondria. Novosibirsk, 1990.

3. Gvozdev V.A.// Soros. mendidik. majalah 1999. Nomor 10. hal.11-17.

4. Margelis L. Peran simbiosis dalam evolusi sel. M, 1983.

5. Skulachev V.P.// Soros. mendidik. majalah 1998. Nomor 8. S.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. mendidik. majalah 2000. Nomor 1. S.32-36.