☵ Mitohondrijska DNK. Mitohondrijska DNK i obiteljska povijest Mitohondrijski genomi
DNA u mitohondrijima predstavljena je cikličkim molekulama koje ne tvore veze s histonima, u tom pogledu nalikuju bakterijskim kromosomima.
Kod ljudi mitohondrijska DNA sadrži 16,5 tisuća bp, potpuno je dešifrirana. Utvrđeno je da je mitohondrijska DNA različitih objekata vrlo homogena; njihova razlika leži samo u veličini introna i netranskribiranih regija. Sva mitohondrijska DNA predstavljena je višestrukim kopijama, skupljenim u skupine, klastere. Dakle, jedan mitohondrij jetre štakora može sadržavati od 1 do 50 cikličkih molekula DNA. Ukupna količina mitohondrijske DNA po stanici je oko jedan posto. Sinteza mitohondrijske DNA nije povezana sa sintezom DNA u jezgri. Kao i kod bakterija, mitohondrijska DNA skupljena je u zasebnoj zoni - nukleoidu, veličine mu je oko 0,4 mikrona u promjeru. Dugi mitohondriji mogu imati od 1 do 10 nukleoida. Kada se dugi mitohondrij dijeli, od njega se odvaja dio koji sadrži nukleoid (slično binarnoj fisiji bakterija). Količina DNA u pojedinačnim mitohondrijskim nukleoidima može varirati do 10 puta, ovisno o tipu stanice. Kada se mitohondriji stapaju, njihove unutarnje komponente se mogu izmijeniti.
rRNA i ribosomi mitohondrija oštro se razlikuju od onih u citoplazmi. Ako se u citoplazmi nalaze 80s ribosomi, tada ribosomi mitohondrija biljne stanice pripadaju 70s ribosomima (sastoje se od 30s i 50s podjedinica, sadrže 16s i 23s RNA, karakteristične za prokariotske stanice), a manji ribosomi (oko 50s) nalaze se u mitohondrijima životinjskih stanica. U mitoplazmi se sinteza proteina odvija na ribosomima. Prestaje, za razliku od sinteze na citoplazmatskim ribosomima, pod djelovanjem antibiotika kloramfenikola, koji potiskuje sintezu proteina u bakterijama.
Transferne RNA se također sintetiziraju na mitohondrijskom genomu; ukupno se sintetiziraju 22 tRNA. Triplet kod sintetskog sustava mitohondrija razlikuje se od onog koji se koristi u hijaloplazmi. Unatoč prisutnosti naizgled svih komponenti potrebnih za sintezu proteina, male molekule mitohondrijske DNA ne mogu kodirati sve mitohondrijske proteine, samo mali dio njih. Dakle, DNK je veličine 15 tisuća bp. može kodirati proteine ukupne molekularne težine od oko 6x105. U isto vrijeme, ukupna molekularna težina proteina čestice kompletnog respiratornog ansambla mitohondrija doseže vrijednost od oko 2x106.
Riža. Relativne veličine mitohondrija u različitim organizmima.
Zanimljivo je promatrati sudbinu mitohondrija u stanicama kvasca. U aerobnim uvjetima stanice kvasca imaju tipične mitohondrije s jasno definiranim kristama. Kada se stanice prebace u anaerobne uvjete (na primjer, kada se subkulturiraju ili kada se prenesu u atmosferu dušika), tipični mitohondriji se ne detektiraju u njihovoj citoplazmi, a umjesto toga vidljive su male membranske vezikule. Ispostavilo se da u anaerobnim uvjetima stanice kvasca ne sadrže kompletan respiratorni lanac (nema citokroma b i a). Kada se kultura prozračuje, dolazi do brze indukcije biosinteze respiratornih enzima, naglog povećanja potrošnje kisika, au citoplazmi se pojavljuju normalni mitohondriji.
Naseljavanje ljudi na Zemlji 
05.05.2015 13.10.2015
Sve informacije o strukturi ljudskog tijela i njegovoj sklonosti bolestima šifrirane su u obliku DNK molekula. Glavne informacije nalaze se u jezgrama stanica. Međutim, 5% DNK je lokalizirano u mitohondrijima.
Kako se zovu mitohondriji?
Mitohondriji su stanične organele eukariota koje su potrebne za pretvorbu energije sadržane u hranjivim tvarima u spojeve koje stanice mogu apsorbirati. Zbog toga se često nazivaju “energetskim stanicama”, jer bez njih postojanje tijela nije moguće.
Te su organele stekle vlastitu genetsku informaciju zbog činjenice da su prethodno bile bakterije. Nakon što su ušle u stanice organizma domaćina, nisu mogle zadržati svoj genom, dok su dio vlastitog genoma prenijele u jezgru stanice organizma domaćina. Dakle, sada njihova DNA (mtDNA) sadrži samo dio, točnije 37 gena, od izvorne količine. Uglavnom, oni šifriraju mehanizam transformacije glukoze u spojeve - ugljični dioksid i vodu uz proizvodnju energije (ATP i NADP), bez kojih je postojanje organizma domaćina nemoguće.
Što je jedinstveno u vezi s mtDNA?
Glavno svojstvo mitohondrijske DNK je da se može naslijediti samo po majčinoj liniji. U tom slučaju sva djeca (muškarci ili žene) mogu dobiti mitohondrije iz jajašca. To se događa zbog činjenice da ženska jajašca sadrže veći broj ovih organela (do 1000 puta) nego muški spermij. Kao rezultat toga, organizam kćeri prima ih samo od svoje majke. Stoga je njihovo nasljeđivanje iz očinske stanice potpuno nemoguće.
Poznato je da su nam mitohondrijski geni preneseni iz daleke prošlosti - od naše majke - "mitohondrijske Eve", koja je zajednički predak svih ljudi na planetu s majčine strane. Stoga se ove molekule smatraju najidealnijim objektom za genetska ispitivanja za utvrđivanje srodstva po majci.
Kako se utvrđuje srodstvo?
Mitohondrijski geni imaju mnogo točkastih mutacija, što ih čini vrlo varijabilnima. To nam omogućuje uspostavljanje srodstva. Tijekom genetskog pregleda pomoću posebnih genetskih analizatora - sekvencera utvrđuju se pojedine točkaste promjene nukleotida u genotipu, njihova sličnost ili razlika. Kod ljudi koji nisu u srodstvu s majčine strane mitohondrijski genomi se značajno razlikuju.
Određivanje srodstva moguće je zahvaljujući nevjerojatnim karakteristikama mitohondrijskog genotipa:
ne podliježu rekombinaciji, pa se molekule mijenjaju samo kroz proces mutacije, koji se može dogoditi tijekom tisućljeća;
mogućnost izolacije iz bilo kojeg biološkog materijala;
ako postoji nedostatak biomaterijala ili degradacija nuklearnog genoma, mtDNA može postati jedini izvor za analizu zbog ogromnog broja svojih kopija;
Zbog velikog broja mutacija u usporedbi s nuklearnim genima stanica, postiže se visoka točnost analize genetskog materijala.
Što se može utvrditi genetskim testiranjem?
Genetsko testiranje mtDNA pomoći će u dijagnosticiranju sljedećih slučajeva.
1. Uspostaviti srodstvo između ljudi s majčine strane: između djeda (ili nane) i unuka, brata i sestre, strica (ili tetke) i nećaka.
2. Pri analizi male količine biomaterijala. Uostalom, svaka stanica sadrži mtDNA u značajnim količinama (100 - 10 000), dok nuklearna DNA sadrži samo 2 kopije za svaka 23 kromosoma.
3. Pri identificiranju drevnog biomaterijala – rok trajanja više od tisuću godina. Upravo zahvaljujući tom svojstvu znanstvenici su uspjeli identificirati genetski materijal iz ostataka članova obitelji Romanov.
4. U nedostatku drugog materijala, čak i jedna vlas sadrži značajnu količinu mtDNA.
5. Prilikom utvrđivanja pripadnosti gena genealoškim granama čovječanstva (afrička, američka, bliskoistočna, europska haplogrupa i druge), zahvaljujući kojima je moguće utvrditi podrijetlo osobe.
Mitohondrijske bolesti i njihova dijagnoza
Mitohondrijske bolesti manifestiraju se uglavnom zbog defekata u mtDNA stanica povezanih sa značajnom osjetljivošću ovih organela na mutacije. Danas postoji već oko 400 bolesti povezanih s njihovim nedostacima.
Normalno, svaka stanica može uključivati i normalne mitohondrije i one s određenim poremećajima. Često se znakovi bolesti uopće ne manifestiraju. Međutim, kada proces sinteze energije oslabi, kod njih se opaža manifestacija takvih bolesti. Ove bolesti prvenstveno su povezane s poremećajima mišićnog ili živčanog sustava. U pravilu, s takvim bolestima postoji kasni početak kliničkih manifestacija. Učestalost ovih bolesti je 1:200 ljudi. Poznato je da prisutnost mitohondrijskih mutacija može uzrokovati nefrotski sindrom tijekom trudnoće, pa čak i iznenadnu smrt djeteta. Stoga istraživači aktivno pokušavaju riješiti ove probleme povezane s liječenjem i prijenosom genetskih bolesti ove vrste s majke na djecu.
Kako je starenje povezano s mitohondrijima?
Reorganizacija genoma ovih organela također je otkrivena prilikom analize mehanizma starenja tijela. Istraživači sa Sveučilišta Hopkins objavili su rezultate praćenja razine krvi 16.000 starijih Amerikanaca, pokazujući da je smanjenje količine mtDNA izravno povezano s dobi pacijenata.
Većina pitanja koja se danas razmatraju postala su osnova nove znanosti - "mitohondrijske medicine", koja se formirala kao zaseban smjer u 20. stoljeću. Predviđanje i liječenje bolesti povezanih s poremećajima mitohondrijskog genoma, genetska dijagnostika su njezine primarne zadaće.
Značajan dio čitatelja mojih blogova, naravno, u ovoj ili onoj mjeri ima predodžbu o suštini i prirodi nasljeđivanja mitohondrijske DNK. Zahvaljujući dostupnosti komercijalnog testiranja, mnogi moji (pre)čitatelji identificirali su mitohondrijske haplotipove u pojedinim regijama mitohondrija (CR, HVS1, HVS2), a neki čak imaju i kompletan mitohondrijski slijed (svih 16571 pozicija). Tako su mnogi uspjeli rasvijetliti svoje "duboko rodoslovlje", vraćajući se na zajedničku točku koalicije svih trenutno postojećih ženskih genetskih linija. Romantični popgenetičari su ovu točku nazvali "mitohondrijska Eva", iako je ta točka još uvijek samo matematička apstrakcija i, zbog toga, svaki naziv je čisto konvencionalan.
Kratki izlet za početnike.
Mitohondrijska DNA (u daljnjem tekstu mtDNA) prenosi se s majke na dijete. Budući da samo žene mogu prenijeti mtDNA svojim potomcima, mtDNA testiranje daje informacije o majci, njezinoj majci i tako dalje preko izravne majčine linije. I muškarci i žene dobivaju mtDNA od svoje majke, zbog čega i muškarci i žene mogu sudjelovati u testiranju mtDNA. Iako se mutacije događaju u mtDNA, njihova je učestalost relativno niska. Tijekom tisuća godina, te su se mutacije akumulirale, i zbog toga se ženska linija u jednoj obitelji genetski razlikuje od druge. Nakon što se čovječanstvo proširilo planetom, mutacije su se nastavile nasumično pojavljivati u populacijama odvojenim udaljenošću od nekoć ujedinjene ljudske rase. Iz tog razloga, mtDNA se može koristiti za određivanje geografskog podrijetla određene obiteljske grupe. Rezultati testiranja mtDNA uspoređuju se s takozvanom “Cambridge standardnom sekvencom” (CRS) - prvom sekvencom mtDNA uspostavljenom 1981. u Cambridgeu (* napomena - korištenje CRS-a kao referentne mitosekvence trenutno je u reviziji). Kao rezultat toga, znanstvenici utvrđuju haplotip osobe koju proučavaju. Haplotip je vaša individualna genetska karakteristika. Kad pogledate, mtDNA je vaš skup odstupanja od "Cambridge standardne sekvence". Usporedbom vaše sekvence sa sekvencama iz baze podataka utvrđuje se vaša haplogrupa. Haplogrupa je genetska karakteristika određene zajednice ljudi koji su imali jednu zajedničku “prabaku”, noviju od “mitohondrijske Eve”. Njihovi davni preci često su se kretali u istoj skupini tijekom seoba. Haplogrupa pokazuje kojoj genealoškoj grani čovječanstva pripadate. Označeni su slovima abecede, od A do Z, plus brojne podskupine. Na primjer, europske haplogrupe - H, J, K, T, U, V, X. Bliskoistočne - N i M. Azijske - A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Afričke - L1 , L2 , L3 i M1. Polinezijac - B. Američki Indijanci - A, B, C, D, rijetko X. Nedavno su europskim haplogrupama dodane N1, U4, U5 i W.
Usredotočimo se na europske mitohaplogrupe - H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 i W. Većina njih se, pak, dijeli na subklade kćeri (grane kćeri, na primjer, subklad kćeri haplogrupe U5 - subklad U5b1 ("Ursula"), čiji se vrhunac rasprostranjenosti događa u baltičkim državama i Finskoj. Vrijedno je napomenuti da matrijarsi ženskih linija često se jednostavno nazivaju ženskim imenima. Temelje ove tradicije postavio je autor knjige "Sedam Evinih kćeri" Brian Sykes, koji je smislio imena za navodne pretke većine europskog stanovništva - Ursula (haplogrupa U), Ksenia (X), Elena (H), Velda (V), Tara (T), Catherine (K) i Jasmine (J). Možete pratiti i mapirati glavne ceste kojima su oni i ostale naše pra-prabake lutale u vremenu i prostoru, te izračunati procijenjeno vrijeme za svako račvanje - pojavu nove mutacije, od prvih "Evinih kćeri ” do najnovijih – haplogrupa I i V, koje su stare “samo” oko 15.000 godina.
Često postavljam pitanje: po čemu se nuklearna DNK razlikuje od mtDNK? Prema suvremenim znanstvenim konceptima, mitohondriji su prije nekoliko milijardi godina bili neovisne bakterije koje su se nastanile u stanicama primitivnih eukariotskih (imaju staničnu jezgru s linearnim kromosomima) organizama i “preuzele” funkciju proizvodnje topline i energije u stanicama domaćina. Tijekom zajedničkog života izgubili su neke od svojih gena kao nepotrebne dok su živjeli spremno, neki su prebačeni u nuklearne kromosome, a sada se dvostruki prsten ljudske mtDNA sastoji od samo 16.569 parova nukleotida. Većinu mitohondrijskog genoma zauzima 37 gena. Zbog visoke koncentracije slobodnih radikala kisika (nusproizvoda oksidacije glukoze) i slabosti mehanizma popravljanja grešaka tijekom kopiranja DNA, mutacije u mtDNA pojavljuju se red veličine češće nego u jezgrinim kromosomima. Zamjena, gubitak ili dodavanje jednog nukleotida ovdje se događa otprilike jednom u 100 generacija - oko 2500 godina. Mutacije mitohondrijskih gena - poremećaji u radu staničnih energetskih postrojenja - vrlo često uzrokuju nasljedne bolesti. Jedina funkcija mitohondrija je oksidacija glukoze u ugljični dioksid i vodu te sinteza korištenjem energije staničnog goriva koja se oslobađa tijekom tog procesa - ATP-a i univerzalnog redukcijskog sredstva (nositelja protona) NADH. (NADH je nikotinamid adenin dinukleotid – pokušajte to reći bez oklijevanja.) Čak i ovaj jednostavan zadatak zahtijeva desetke enzima, ali većina proteinskih gena potrebnih za rad i održavanje mitohondrija odavno je prebačena u kromosome “domaćina” Stanice. U mtDNA, samo geni prijenosne RNA koji opskrbljuju aminokiseline ribosomima koji sintetiziraju proteine (označeni jednoslovnim latiničnim simbolima odgovarajućih aminokiselina), dva gena ribosomske RNA - 12s RNA i 16s RNA (geni za proteine mitohondrijskih ribosoma su smješteni u jezgri stanice), a neki (ne svi) geni ostaju proteini glavnih mitohondrijskih enzima - kompleksa NADH dehidrogenaze (ND1-ND6, ND4L), citokrom c oksidaze (COI-III), citokroma b (CYTb) i dvije proteinske podjedinice enzima ATP sintetaze (ATPaza8 i 6). Za potrebe molekularne ili DNK genealogije koristi se nekodirajuća regija - D-petlja, koja se sastoji od dvije hipervarijabilne regije, niske i visoke rezolucije - HVR1 (GVS1) i HVR2 (GVS2).
Vrijedno je reći nekoliko riječi o važnosti proučavanja mtDNA sa stajališta medicinske genetike.
Naravno, već su provedene studije o povezanosti određenih bolesti s pojedinim ženskim genetskim linijama. Na primjer, jedno je istraživanje sugeriralo da razgradnja oksidativne fosforilacije mitokloriona povezanih sa SNP-om koji definira J(asmin) haplogrupu uzrokuje povišenu tjelesnu temperaturu u fenotipu nositelja ove haplogrupe. To je povezano s povećanom prisutnošću ove haplogrupe u sjevernoj Europi, posebice u Norveškoj. Osim toga, ljudi s mitohondrijskom haplogrupom J, prema drugoj studiji, brže razvijaju SIDU i brže umiru u usporedbi s drugim osobama zaraženim HIV-om. Studije su pokazale da filogenetski značajne mitohondrijske mutacije uključuju obrazac ekspresije gena u fenotipu.
Nadalje, J-ova sestrinska mitohondrijska haplogrupa T povezana je sa smanjenom pokretljivošću spermija kod muškaraca. Prema publikaciji Odjela za biokemiju i molekularnu staničnu biologiju Sveučilišta u Zaragozi, haplogrupa T predstavlja slabu genetsku predispoziciju za astenozoospermiju. Prema nekim studijama, prisutnost haplogrupe T povezana je s povećanim rizikom od koronarne arterijske bolesti. Prema drugoj studiji, nositelji T imaju manju vjerojatnost da će razviti dijabetes. Nekoliko pilot medicinskih studija pokazalo je da je haplogrupa T povezana sa smanjenim rizikom od Parkinsonove i Alzheimerove bolesti.
No, već sljedeći primjer pokazuje da su rezultati analize povezanosti ženskih genetskih linija i bolesti često međusobno kontradiktorni. Na primjer, nositelji najstarije europske mitohaplogrupe UK malo su osjetljivi na sindrom stečene imunodeficijencije. U isto vrijeme, jedna podskupina, U5a, smatra se posebno osjetljivom na sindrom stečene imunodeficijencije.
Ranije studije pokazale su pozitivnu korelaciju između pripadnosti haploskupini U i rizika od raka prostate i kolorektalnog karcinoma. Haplogrupa K (Catherine), koja potječe iz Ujedinjenog Kraljevstva preko podklada U8, kao i njezinih roditeljskih linija, karakterizirana je povećanim rizikom od moždanog udara i kronične progresivne oftalmoplegije.
Muškarci koji pripadaju dominantnoj ženskoj liniji H u Europi (Helen, ogranak kombinirane skupine H) karakterizirani su najmanjim rizikom od astenozoospermije (bolest u kojoj se smanjuje pokretljivost spermija). U isto vrijeme, H je karakteriziran visokim rizikom od razvoja Alzheimerove bolesti. Za usporedbu, rizik od razvoja Parkinsonove bolesti u nositelja ženske genetske linije H (Helen) je mnogo veći od sličnog. rizik u predstavnika linije (JT) Osim toga, predstavnici Lynn H imaju najveću otpornost na sepsu.
Predstavnici mitohondrijskih linija I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 i T imaju smanjen (u odnosu na prosjek) rizik od razvoja Parkinsonove bolesti. Žene genetskih linija I (Irene), J (Jasmine) i T (. Tara) rodila više od svih stogodišnjaka, pa popgenetičari te mitohaplogrupe u šali nazivaju haplogrupama stogodišnjaka. Ali nije sve tako dobro. Neki pripadnici subklada haplogrupa J i T (osobito J2) boluju od rijetke genetski uvjetovane bolesti (Leberova nasljedna optička neuropatija), povezane s ekspresijom gena odgovornog za naslijeđenu sljepoću po majci.
Pripadnost mitohaploskupini N faktor je u razvoju raka dojke. Međutim, isto vrijedi i za druge europske mitohaplogrupe (H, T, U, V, W, X), s izuzetkom K. Konačno, nositelji ženske mitohondrijske linije X ("Ksenia") imaju mutaciju u mitohondrijima koja povećava rizik od razvoja dijabetesa II tipa, kardiomiopatije i raka endometrija. Predstavnici kombinirane makromitohaplogrupe IWX imaju najveću otpornost na razvoj AIDS-a.
Mitohondriji također igraju važnu ulogu u sportskoj genetici, koja se pojavila relativno nedavno.
Često sam, čitajući opise sportskih lijekova i dodataka prehrani, naišao na spomen da jedan ili drugi aktivni element lijeka ubrzava metabolizam ili transport određenih spojeva u mitohondrije. To se prvenstveno odnosi na L-karnitin, kreatin i BCAA. Budući da mitohondrij djeluje kao generator energije u stanici, ova zapažanja mi se čine logična i uvjerljiva.
Stoga, razmotrimo ovo pitanje malo detaljnije.
Prema nekim znanstvenicima, nedostatak energije dovodi do ranog starenja organizma. Što manje energije ima u stanicama, manje će napora biti usmjereno na obnovu i uklanjanje toksina. Kako kažu, "baš me briga za mast, volio bih da sam živ." Ali uvijek postoji izlaz:zdrava prehrana plus mala biokemijska podešavanja mogu ponovno pokrenuti stanične elektrane. I prva stvar koju vam savjetuju da zapamtite je karnitin.
Počevši od odrasle dobi, mitohondriji, stanične elektrane, počinju usporavati, što dovodi do smanjenja proizvodnje energije. Ćelija se kreće prema štednji, u kojoj se o režimu "naknadnog izgaranja" ne isplati ni sanjati. Nedostatak energije dovodi do disfunkcije ostalih staničnih organela i opet utječe na mitohondrije. Začarani krug. To je starenje, točnije, njegova unutarnja manifestacija.
"Mladi ste onoliko koliko su mladi vaši mitohondriji", voli reći nutricionist Robert Crichon. Posvetivši dugi niz godina proučavanju biokemije stanica, pronašao je jedan način kako utjecati na proizvodnju energije mitohondrija, odnosno na starenje. Ova metoda je karnitin i njegov aktivni oblik L-karnitin.
Karnitin nije aminokiselina jer ne sadrži amino skupinu (NH2). Više je poput koenzima ili, ako želite, spoja nalik vitaminu topljivom u vodi. Zašto karnitin privlači pažnju nutricionista?
Kao što znate, masne kiseline su glavno gorivo za mišiće, posebno za miokard. Oko 70% energije proizvodi se u mišićima izgaranjem masti. Karnitin prenosi dugolančane masne kiseline kroz membranu mitohondrija. Malu količinu karnitina (oko 25%) tijelo sintetizira iz aminokiseline lizina. Preostalih 75% moramo dobiti iz hrane.
Ali danas dobivamo premalo karnitina. Rečeno je da su naši preci dnevno konzumirali najmanje 500 mg karnitina. Prosječna osoba u modernom društvu hranom dnevno dobije samo 30-50 mg...
Nedostatak karnitina dovodi do smanjene proizvodnje energije i degeneracije. Manje energije znači slabije fiziološke rezerve. Klasična slika su stariji ljudi čija tijela doživljavaju "energetsku krizu". Kad bi tijelo imalo dovoljno energije, moglo bi uspješno graditi i obnavljati stanične membrane, održavati cjelovitost staničnih struktura i štititi genetske informacije. Naš imunološki sustav također ovisi o odgovarajućoj proizvodnji energije.
Robert Crichon vjeruje da nam treba više karnitina dok tijelo počinje propadati. Ovo je korak prema pomlađivanju i energiziranju stanica kako bi mogle bolje funkcionirati i zaštititi se od slobodnih radikala i patogena. [
Inače, prije godinu i pol proveo sam pilot pregled kod fiziologa za određivanje biološke starosti. Prema tablici fiziologa, rezultati mjerenja najtočnije su odgovarali biološkoj dobi od 28 godina. Ako je gospodin Robert Crichon u pravu, onda su moji mitohondriji 7 godina mlađi od moje putovnice)). Ali mnogi moji vršnjaci već sada duguju prirodi (opet nauštrb svojih mitohondrija)].
Meso, riba, mlijeko, jaja, sir i drugi životinjski proizvodi općenito sadrže dovoljno karnitina. Ovčetina i janjetina posebno su moćni izvori. Avokado i tempeh su najpoželjniji biljni izvori.
Naravno, nekada su životinje pasle na pašnjacima i jele travu. To je bilo sjajno jer su u ovom slučaju životinjski proizvodi sadržavali velike količine karnitina i zdravih omega-3 masnih kiselina koje se međusobno nadopunjuju. To je omogućilo tijelima naših predaka da učinkovito sagorijevaju masti i imaju snažno tijelo. Danas se goveda hrane žitaricama u kojima dominiraju omega-6 masne kiseline koje djeluju protuupalno, a smanjena je i razina karnitina. Zato sada svakodnevno jedenje crvenog mesa više nije zdrava alternativa. No, zaustavimo se tu.
Postoji još jedna točka koju vrijedi spomenuti. Bilo bi naivno tvrditi da karnitin može spasiti osobu od starenja jednom zauvijek. Ne, bilo bi prelako za čovječanstvo, iako bi mnogi željeli vjerovati u to.
Karnitin, kao i druge korisne tvari koje aktiviraju metabolizam, samo je jedan od mnogih pomagača. Međutim, nije u stanju radikalno zaustaviti mobilni sat, iako ga vjerojatno može usporiti.
Utvrđeno je da rad ishemijskog miokarda prestaje kada su stanični resursi kreatin fosforne kiseline iscrpljeni, iako cca. 90% adenozin trifosfat. Ovo je pokazalo da je adenozin trifosfat neravnomjerno raspoređen kroz stanicu. Ne koristi se sav adenozin trifosfat koji se nalazi u mišićnoj stanici, već samo određeni dio, koncentriran u miofibrilama. Rezultati daljnjih eksperimenata pokazali su da vezu između staničnih zaliha adenozin trifosfata ostvaruju izoenzimi kreatin fosforne kiseline i kreatin kinaze. U normalnim uvjetima molekula adenozin trifosfata sintetizirana u mitohondrijima predaje energiju kreatinu koji se pod utjecajem izoenzima kreatin kinaze pretvara u kreatin fosfornu kiselinu. Kreatin fosforna kiselina prelazi na lokalizaciju reakcija kreatin kinaze, gdje drugi izoenzimi kreatin kinaze osiguravaju regeneraciju adenozin trifosfata iz kreatin fosforne kiseline i adenozin difosfata. Kreatin koji se oslobađa u ovom slučaju kreće se u mitohondrije, a adenozin trifosfat se koristi za proizvodnju energije, uklj. za napetost mišića. Intenzitet cirkulacije energije u stanici duž kreatin-fosfornog puta mnogo je veći od brzine prodiranja adenozin-trifosfata u citoplazmu. To je razlog pada koncentracije kreatin fosforne kiseline u stanici, i uzrokuje depresiju napetosti mišića čak i kada je glavna stanična opskrba adenozin trifosfatom nepromijenjena.
Nažalost, ljudi koji se bave sportskom genetikom jako malo pažnje posvećuju mitohondrijima. Još nisam vidio studiju rezultata bodybuildera podijeljenih u kontrolne skupine na temelju pripadnosti mitohondrijskim skupinama (pod pretpostavkom da su im ostali “pokazatelji” isti). Na primjer, eksperimentalni dizajn bi mogao izgledati ovako: odabiremo bodybuildere iste dobi, težine, visine, sastava mišića i iskustva. Pozivamo ih da izvedu set identičnih vježbi snage (npr. maksimalan broj serija bench pressa s težinom od 95-100 kg.) Uspoređujemo rezultate i analiziramo ih na temelju apriornih informacija o mitogrupama sportaša . Zatim sportašima dajemo kombiniranu prehranu kreatina, levokarnitina, glutamina i aminokiselina. Nakon nekog vremena ponavljamo test i uspoređujemo rezultate te donosimo zaključke o prisutnosti/odsutnosti korelacije s tipom mtDNA.
Mislim da moje amatersko istraživanje mitohondrija može u konačnici prosvijetliti čovječanstvo. Istina, mitohondriji me zanimaju ne samo i ne toliko u rodoslovnim i medicinskim pitanjima, koliko u pitanjima psihogenetike, posebno u aspektima interakcije između ljudi različitih mitohapogrupa. Uzeo sam sebi slobodu ovo područje istraživanja nazvati psihosocionikom. Iskoristivši rijetku priliku da (4 godine) promatram interakciju ljudi različitih mitohaplogrupa na najmanje 5 foruma na engleskom jeziku i 2 foruma na ruskom jeziku, primijetio sam zanimljiv trend. Nažalost, nisam imao vremena jasno artikulirati ovaj obrazac u diskurzivnom smislu znanstvenog jezika popgenetike, sve je još uvijek na razini preliminarnih napomena. Ali možda će, ako mogu formulirati svoje zapažanje, ono ući u povijest populacijske genetike kao Zakon Verenich-Zaporozhchenko.
Moja zapažanja temelje se na proučavanju interakcija između tri glavne europske sažete mitohaplogrupe (JT, HV, UK). Nažalost, europske mitohaplogrupe I, W, X (kao i egzotične i minorne mitogrupe) zbog nereprezentativnosti uzorka nisu bile uključene u polje mog istraživanja. Ukratko, ova se opažanja svode na sljedeće točke:
1) najgušća i najproduktivnija interakcija opažena je između predstavnika jedne kombinirane haplogrupe (na primjer, između predstavnika različitih podklada J i T). Možda se ova činjenica može objasniti evolucijskim mehanizmom koji određuje na genetskoj razini (dopustite mi da vas podsjetim da se mitoDNK nasljeđuje isključivo po majčinoj liniji) vezanost djeteta za majku u ranoj dobi, u njoj proučavanjem tripartitnih odnosa u mnogim obiteljima, otkriveno je da je utjecaj majke na dijete izravnog karaktera, dok otac često utječe na bebu neizravno – preko majke (Clarke-Stewart K.A., 1978.). Taj se utjecaj naknadno interpolira na interakciju s predstavnicima sličnih mitohaplogrupa (psihogenetska osnova tog utjecaja još nije znanstveno utvrđena).
2) predstavnici JT i HV su antipodi jedni prema drugima - među njima se uočava najantagonističkija interakcija, koja često dovodi do sukoba. Razlozi za antagonizam tek treba proučiti
3) predstavnike mitogrupe UK, u pravilu, karakterizira neutralan stav prema JT i HV. Odnosi s obje grupe su čisto poslovni, neutralno prijateljski.
Budući da su me zanimali razlozi tako očigledne podjele, obratio sam se za savjet Valeriju Zaporožčenku, vodećem svjetskom stručnjaku za mtDNA (autor je jednog od najučinkovitijih filogenetskih programa MURKA, posjeduje najveću svjetsku privatnu zbirku mitohaplotipova i mtDNA). i kompletne genomske sekvence, te je koautor nekoliko velikih publikacija o mitoDNA).Valery je dao pomalo neobičan, ali ako bolje razmislite, logičan odgovor.Suština njegovog odgovora bila je da se antagonizam između JT i HV može objasniti “genetskom memorijom”. Činjenica je da je haplogrupa HV u Europu prodrla negdje na prijelazu iz mezolitika u neolitik sjevernim putem.Paralelno s ovom haplogrupom u Europu je ušao i ženski rod JT, ali je migracijski put vodio nešto južnije. Najvjerojatnije je postojala određena konkurencija između obje skupine (JT i HV), budući da su i JT i HV zauzimali istu nišu (neolitski zemljoradnici). DOUsput, ista povijesna introspekcija objašnjava neutralnost mitogrupe UK u odnosu na HV i JT. Kao što je sada općeprihvaćeno, UK (kao najstarija mitogrupa u Europi) u osvit neolitske revolucije i pojave gore spomenutog neolitikaTe su skupine bile zastupljene uglavnom među europskim mezolitičkim lovcima-sakupljačima. Budući da su zauzeli sasvim drugu nišu, predstavnici UK jednostavno nisu imali što dijeliti s HV i JT.
Najbolji primjer mitokonflikta je petogodišnji sukob između dva briljantna uma amaterske genetike i antropologije - Dieneka Pontikosa (čija je mitogrupa T2) i Davida "Polako" Veselovskog (čija je mitogrupa H7). Ovo nije potvrda konfliktnog potencijala interakcije između JT i HV mitogrupa. To je poput dobro poznatog pokusa s 1 g željeznog praha ili praha i 2 g suhog kalijevog nitrata, prethodno samljevenog u mužaru. Čim se postave jedan uz drugi, počinje burna reakcija uz ispuštanje iskri, smećkasti dim i jako zagrijavanje. U ovom slučaju, izgled smjese podsjeća na užarenu lavu. Kada kalijev nitrat reagira sa željezom, nastaju kalijev ferat i plinoviti dušikov monoksid koji oksidacijom na zraku proizvodi smeđi plin - dušikov dioksid. Ako se čvrsti ostatak nakon završetka reakcije stavi u čašu hladne prokuhane vode, dobit ćete crveno-ljubičastu otopinu kalijevog ferata, koja se raspada za nekoliko minuta.))
Koje su praktične posljedice ovih opažanja? Trenutno se ubrzano razvija jedna od grana takozvane konfliktologije, povezana s procjenom kompatibilnosti pojedinaca u skupini. Naravno, svoj najpraktičniji izražaj ova industrija dobiva u rješavanju praktičnih problema (primjerice, odabir glumaca ili kadrova). Naravno, zaposlenici se ocjenjuju uglavnom na temelju njihovih stručnih znanja, vještina, sposobnosti i radnog iskustva. Ali važan čimbenik je procjena kompatibilnosti novaka s već uspostavljenim timom i menadžmentom. Apriorna procjena ovog faktora je teška, a sada se ta procjena vrši uglavnom uz pomoć psiholoških testova, na čiji razvoj i testiranje velike korporacije i institucije (primjerice NASA pri odabiru tima astronauta) troše velike iznose. od novca. Međutim, sada, na pragu razvoja psihogenetike, ove testove moguće je zamijeniti analizom genetski uvjetovane kompatibilnosti.
Na primjer, pretpostavimo da imamo određenu skupinu angažiranih stručnjaka koji ispunjavaju formalne uvjete za zapošljavanje i imaju odgovarajuće kompetencije. Postoji ekipa u kojoj su, recimo, sve tri makroskupine JT, HVi UK. Da sam ja menadžer, tada bi novi regruti bili raspoređeni u određene grupe ljudi na temelju dodijeljenih zadataka:
1) Ako provedba određenog zadatka zahtijeva prisutnost uske skupine ljudi istomišljenika, tada je najbolja opcija stvoriti skupinu ljudi koji pripadaju istoj makrohaplogrupi
2) Ako grupa radi na pronalaženju novih rješenja i koristi metode kao što je “brainstorming” u svom radu, potrebno je te regrute smjestiti u okruženje antagonista (JT prema HV, i obrnuto)
3) Ako se načela rada grupe temelje isključivo na poslovnim/formalnim odnosima, tada bi menadžment trebao osigurati da grupa ima dovoljan broj predstavnika UK-a koji će djelovati kao tampon između sukobljenih JT-ova i HV-ova.
Po želji, isti principi mogu poslužiti kao osnova za “znanstveno motivirani” odabir bračnog partnera. U najmanju ruku, procjena kompatibilnosti partnera (ili bolje rečeno, procjena prirode kompatibilnosti) bit će puno vjerojatnija od procjene kompatibilnosti u modernim servisima za upoznavanje, koja se temelji na primitivnim psihološkim testovima i astrologiji.K Usput, jedina komercijalna usluga DNK datiranja striktno iskorištava haplotipove histokompatibilnog kompleksa. Logika je da, kako su znanstvenici pokazali, ljudi obično biraju partnere s najsuprotnijim HLA haplotipom.
Različite genetske komponente u norveškoj populaciji otkrivene analizom polimorfizama mtDNA i Y kromosoma Haplogrupe mitohondrijske DNA utječu na progresiju AIDS-a.
Prirodna selekcija oblikovala je regionalnu varijaciju mtDNA kod ljudi Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (rujan 2000.). "Ljudske mtDNA haplogrupe povezane s visokom ili smanjenom pokretljivošću spermija." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitohondrij: 30 Mitohondrijska haplogrupa T povezana je s bolešću koronarne arterije Nositelji mitohondrijske DNK haplotipa 'T' manje su skloni dijabetesu « Mathildin antropološki blog
“Drugdje je objavljeno da članstvo u haploskupini T može ponuditi određenu zaštitu protiv Alexander Belovzheimerove bolesti (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) i također Parkinsonove bolesti (Pyle et al. 2005), ali Pereirine riječi upozorenja et al. sugeriraju da će možda biti potrebna daljnja istraživanja prije donošenja čvrstih zaključaka."
Haplogrupe mitohondrijske DNA utječu na progresiju AIDS-a.
Prirodna selekcija oblikovala je regionalne varijacije mtDNA kod ljudi
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (rujan 2000.). "Ljudske mtDNA haplogrupe povezane s visokom ili smanjenom pokretljivošću spermija." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitohondrij: 30 mitohondrijska haplogrupa T povezana je s bolešću koronarne arterije
Nositelji mitohondrijske DNA haplotipa 'T' manje su skloni dijabetesu « Mathildin antropološki blog
“Drugdje je objavljeno da članstvo u haploskupini T može ponuditi određenu zaštitu protiv
Što je mitohondrijska DNK?
Mitohondrijska DNA (mtDNA) je DNA smještena u mitohondrijima, staničnim organelama unutar eukariotskih stanica koje pretvaraju kemijsku energiju iz hrane u oblik koji stanice mogu koristiti – adenozin trifosfat (ATP). Mitohondrijska DNA predstavlja samo mali dio DNA u eukariotskoj stanici; Većina DNK može se naći u jezgri stanice, u biljkama i algama te u plastidima kao što su kloroplasti.
Kod ljudi, 16 569 parova baza mitohondrijske DNK kodira samo 37 gena. Ljudska mitohondrijska DNA bila je prvi značajan dio ljudskog genoma koji je sekvenciran. Kod većine vrsta, uključujući ljude, mtDNA se nasljeđuje samo od majke.
Budući da se životinjska mtDNA razvija brže od nuklearnih genetskih markera, ona predstavlja temelj filogenetike i evolucijske biologije. Ovo je postalo važna točka u antropologiji i biogeografiji, budući da omogućuje proučavanje međuodnosa populacija.
Hipoteze o postanku mitohondrija
Vjeruje se da nuklearna i mitohondrijska DNA imaju različito evolucijsko podrijetlo, s mtDNA izvedenom iz kružnih genoma bakterija koje su apsorbirali rani preci modernih eukariotskih stanica. Ova teorija se naziva endosimbiotska teorija. Procjenjuje se da svaki mitohondrij sadrži kopije 2-10 mtDNA. U stanicama živih organizama, velika većina proteina prisutnih u mitohondrijima (koji broje oko 1500 različitih tipova kod sisavaca) kodirana je nuklearnom DNK, ali se smatra da su geni za neke, ako ne i većinu, izvorno bakterijski i od tada su tijekom evolucije prebačeni u eukariotsku jezgru.
Raspravlja se o razlozima zašto mitohondriji zadržavaju određene gene. Postojanje organela bez genoma u nekim vrstama mitohondrijskog podrijetla sugerira da je moguć potpuni gubitak gena, a prijenos mitohondrijskih gena u jezgru ima brojne prednosti. Poteškoće u usmjeravanju daljinski proizvedenih hidrofobnih proteinskih proizvoda u mitohondrijima jedna je od hipoteza zašto su neki geni zadržani u mtDNA. Ko-lokalizacija za redoks regulaciju je još jedna teorija, koja navodi poželjnost lokalizirane kontrole mitohondrijskih strojeva. Nedavna analiza širokog raspona mitohondrijskih genoma sugerira da obje ove funkcije mogu diktirati zadržavanje mitohondrijskih gena.
Genetski pregled mtDNA
Kod većine višestaničnih organizama mtDNA se nasljeđuje od majke (majčina loza). Mehanizmi za to uključuju jednostavno razrjeđivanje (jajna stanica sadrži prosječno 200 000 molekula mtDNA, dok zdrava ljudska sperma sadrži prosječno 5 molekula), razgradnju mtDNA sperme u muškom reproduktivnom traktu, u oplođenom jajašcu i, barem u nekoliko organizama, neuspjeh MtDNA spermija prodire u jajašce. Bez obzira na mehanizam, radi se o unipolarnom nasljeđivanju – nasljeđivanju mtDNA, koje se javlja kod većine životinja, biljaka i gljiva.
Majčino nasljeđe
U spolnom razmnožavanju mitohondriji se obično nasljeđuju isključivo od majke; mitohondrije u spermi sisavaca obično uništi jajašce nakon oplodnje. Osim toga, većina mitohondrija prisutna je u bazi repa spermija, koji se koristi za kretanje spermija; ponekad se rep izgubi tijekom oplodnje. Godine 1999. objavljeno je da su mitohondriji očinske sperme (koji sadrže mtDNA) obilježeni ubikvitinom za naknadno uništenje unutar embrija. Neke metode in vitro oplodnje, posebice ubrizgavanje sperme u jajnu ćeliju, mogu ometati ovo.
Činjenica da se mitohondrijska DNK nasljeđuje po majčinoj liniji omogućuje genealoškim istraživačima da prate majčinu liniju daleko u prošlost. (Y-kromosomska DNK nasljeđuje se po ocu, koristi se na sličan način za određivanje patrilinearne povijesti.) To se obično radi na mitohondrijskoj DNK osobe sekvenciranjem hipervarijabilne kontrolne regije (HVR1 ili HVR2), a ponekad i cijele molekule mitohondrijske DNK kao DNK genealoški test. Na primjer, HVR1 se sastoji od približno 440 parova baza. Tih 440 parova se zatim uspoređuje s kontrolnim područjima drugih pojedinaca (ili određenih pojedinaca ili subjekata u bazi podataka) kako bi se odredilo porijeklo po majci. Najčešća usporedba je s Revised Cambridge Reference Sequence. Vilà i sur. objavio studije o matrilinearnoj sličnosti domaćih pasa i vukova. Koncept mitohondrijske Eve temelji se na istoj vrsti analize, pokušajima da se otkrije porijeklo čovječanstva, prati porijeklo unatrag u vremenu.
mtDNA je visoko očuvana, a njezine relativno spore stope mutacije (u usporedbi s drugim regijama DNA kao što su mikrosateliti) čine je korisnom za proučavanje evolucijskih odnosa - filogenije organizama. Biolozi mogu odrediti i zatim usporediti sekvence mtDNA među vrstama i upotrijebiti usporedbe za izradu evolucijskog stabla za proučavane vrste. Međutim, zbog sporih stopa mutacija koje doživljava, često je teško u bilo kojoj mjeri razlikovati blisko povezane vrste, pa se moraju koristiti druge metode analize.
Mitohondrijske DNA mutacije
Može se očekivati da će pojedinci podvrgnuti jednosmjernom nasljeđivanju i maloj ili nikakvoj rekombinaciji proći kroz Müllerov ratchet, akumulaciju štetnih mutacija dok se ne izgubi funkcionalnost. Životinjske mitohondrijske populacije izbjegavaju ovo nakupljanje zbog razvojnog procesa poznatog kao usko grlo mtDNA. Usko grlo koristi stohastičke procese u stanici za povećanje varijabilnosti između stanica u mutantnom opterećenju kako se organizam razvija, tako da jedna jajna stanica s određenim udjelom mutirane mtDNA stvara embrij u kojem različite stanice imaju različita mutantna opterećenja. Stanična razina se zatim može ciljati kako bi se uklonile te stanice s više mutirane mtDNA, što rezultira stabilizacijom ili smanjenjem mutantnog opterećenja između generacija. Mehanizam na kojem se nalazi usko grlo raspravlja se s nedavnim matematičkim i eksperimentalnim metastazama i pruža dokaze za kombinaciju nasumičnog dijeljenja mtDNA u stanične diobe i nasumičnog mijenjanja molekula mtDNA unutar stanice.
Nasljedstvo po ocu
Dvostruko jednosmjerno nasljeđivanje mtDNA uočeno je kod školjkaša. Kod ovih vrsta ženke imaju samo jedan tip mtDNA (F), dok mužjaci imaju mtDNA tipa F u svojim somatskim stanicama, ali mtDNA tipa M (koja može biti do 30% divergentna) u stanicama zametne linije. Osim toga, zabilježeni su mitohondriji naslijeđeni s majke kod nekih kukaca kao što su vinske mušice, pčele i povremene cvrčci.
Muško mitohondrijsko naslijeđe nedavno je otkriveno kod kokoši Plymouth Rock. Dokazi podupiru rijetke slučajeve muškog mitohondrijskog nasljeđa kod nekih sisavaca. Konkretno, postoje dokumentirani slučajevi za miševe kod kojih su mitohondriji muškog podrijetla naknadno odbačeni. Osim toga, pronađen je u ovcama i također u kloniranih goveda. Jednom pronađen u tijelu čovjeka.
Iako mnogi od ovih slučajeva uključuju kloniranje embrija ili naknadno odbacivanje očevih mitohondrija, drugi dokumentiraju nasljeđivanje i postojanost in vivo in vitro.
Donacija mitohondrija
IVF, poznata kao mitohondrijska donacija ili mitohondrijska nadomjesna terapija (MRT), rezultira potomstvom koje sadrži mtDNA ženskih donora i nuklearnu DNA majke i oca. U postupku prijenosa vretena, jezgra jajne stanice unosi se u citoplazmu jajne stanice ženske donorice kojoj je jezgra uklonjena, ali još uvijek sadrži mtDNA ženske donorice. Složenu jajnu stanicu zatim oplodi sperma muškarca. Ovaj se postupak koristi kada žena s genetski neispravnim mitohondrijima želi proizvesti potomstvo sa zdravim mitohondrijima. Prvo poznato dijete koje je rođeno kao rezultat donacije mitohondrija bio je dječak kojeg je jordanski par rodio u Meksiku 6. travnja 2016. godine.
Struktura mitohondrijske DNA
U većini višestaničnih organizama, mtDNA - ili mitogenom - organizirana je kao okrugla, kružno zatvorena, dvolančana DNA. Ali u mnogim jednostaničnim organizmima (na primjer, tetrahymena ili zelena alga Chlamydomonas reinhardtii) i u rijetkim slučajevima u višestaničnim organizmima (na primjer, neke vrste žarnjaka), mtDNA se nalazi kao linearno organizirana DNA. Većina tih linearnih mtDNA posjeduje telomere neovisne o telomerazi (tj. krajeve linearne DNA) s različitim načinima replikacije, što ih je učinilo zanimljivim predmetima proučavanja, budući da su mnogi od tih jednostaničnih organizama s linearnom mtDNA poznati patogeni.
Za ljudsku mitohondrijsku DNA (i vjerojatno za metazoe), 100-10 000 pojedinačnih kopija mtDNA tipično je prisutno u somatskoj stanici (jajne stanice i spermija su izuzeci). Kod sisavaca se svaka dvolančana kružna molekula mtDNA sastoji od 15 000-17 000 parova baza. Dva lanca mtDNA razlikuju se po sadržaju nukleotida, lanac bogat gvanidom naziva se teški lanac (ili H-lanac), a lanac bogat cinozinom naziva se laki lanac (ili L-lanac). Teški lanac kodira 28 gena, a laki lanac kodira 9 gena, što je ukupno 37 gena. Od 37 gena, 13 je za proteine (polipeptide), 22 su za prijenos RNA (tRNA), a dva su za male i velike podjedinice ribosomske RNA (rRNA). Ljudski mitogenom sadrži gene koji se preklapaju (ATP8 i ATP6, te ND4L i ND4: vidi mapu mitohondrija ljudskog genoma), što je rijetkost u životinjskim genomima. Uzorak od 37 gena također se nalazi među većinom metazoa, iako, u nekim slučajevima, jedan ili više ovih gena nedostaje i raspon veličina mtDNA je veći. Još veće varijacije u sadržaju i veličini gena mtDNA postoje među gljivama i biljkama, iako se čini da postoji središnji podskup gena koji je prisutan u svim eukariotima (osim nekolicine koji uopće nemaju mitohondrije). Neke biljne vrste imaju ogromnu mtDNA (čak 2.500.000 parova baza po molekuli mtDNA), ali iznenađujuće, čak i te ogromne mtDNA sadrže isti broj i tipove gena kao srodne biljke s mnogo manjom mtDNA.
Mitohondrijski genom krastavca (Cucumis Sativus) sastoji se od tri kružna kromosoma (dužine 1556, 84 i 45 kb), koji su potpuno ili u velikoj mjeri autonomni u pogledu svoje replikacije.
U mitohondrijskim genomima nalazi se šest glavnih tipova genoma. Ove vrste genoma klasificirali su "Kolesnikov i Gerasimov (2012)" i razlikuju se na različite načine, kao što su kružni naspram linearnog genoma, veličina genoma, prisutnost introna ili struktura sličnih plazmidu i je li genetski materijal posebna molekula, skup homogenih ili heterogenih molekula.
Dekodiranje životinjskog genoma
U životinjskim stanicama postoji samo jedan tip mitohondrijskog genoma. Ovaj genom sadrži jednu kružnu molekulu između 11-28 kbp genetskog materijala (tip 1).
Dekodiranje biljnog genoma
Postoje tri različite vrste genoma pronađenih u biljkama i gljivama. Prvi tip je kružni genom koji ima introne (tip 2) u rasponu duljine od 19 do 1000 kbp. Drugi tip genoma je cirkularni genom (oko 20-1000 kbp), koji također ima strukturu plazmida (1kb) (tip 3). Posljednji tip genoma koji se može naći u biljkama i gljivama je linearni genom, koji se sastoji od homogenih molekula DNA (tip 5).
Dekodiranje protistskog genoma
Protisti sadrže veliki izbor mitohondrijskih genoma, koji uključuju pet različitih tipova. Tip 2, tip 3 i tip 5, koji se spominju u genomima biljaka i gljiva, također postoje u nekim protozoama, kao iu dva jedinstvena tipa genoma. Prvi od njih je heterogena zbirka kružnih molekula DNA (tip 4), a konačni tip genoma koji se nalazi u protista je heterogena zbirka linearnih molekula (tip 6). Tipovi genoma 4 i 6 kreću se od 1 do 200 kb.
Endosimbiotski prijenos gena, proces u kojem se geni kodirani u mitohondrijskom genomu prvenstveno prenose genomom stanice, vjerojatno objašnjava zašto složeniji organizmi, poput ljudi, imaju manje mitohondrijske genome od jednostavnijih organizama, poput protozoa.
Replikacija mitohondrijske DNA
Mitohondrijska DNA se replicira gama kompleksom DNA polimeraze, koji se sastoji od 140 kDa katalitičke DNA polimeraze kodirane POLG genom i dvije dodatne podjedinice od 55 kDa kodirane POLG2 genom. Aparat za replikaciju čine DNA polimeraza, TWINKLE i mitohondrijski SSB proteini. TWINKLE je helikaza koja odmotava kratke dijelove dsDNA u smjeru od 5" do 3".
Tijekom embriogeneze, replikacija mtDNA je strogo regulirana od oplođene jajne stanice preko predimplantacijskog embrija. Učinkovito smanjujući broj stanica u svakoj stanici, mtDNA igra ulogu u mitohondrijskom uskom grlu, koje iskorištava varijabilnost od stanice do stanice za poboljšanje nasljeđivanja štetnih mutacija. U stadiju blastocita, početak replikacije mtDNA specifičan je za stanice troftokodera. Nasuprot tome, stanice unutarnje stanične mase ograničavaju replikaciju mtDNA sve dok ne prime signale da se diferenciraju u specifične tipove stanica.
Transkripcija mitohondrijske DNA
U životinjskim mitohondrijima svaki se lanac DNA kontinuirano prepisuje i proizvodi policistronsku molekulu RNA. Između većine (ali ne svih) regija koje kodiraju proteine prisutne su tRNA (vidi kartu genoma ljudskog mitohondrija). Tijekom transkripcije, tRNA dobiva karakterističan L-oblik, koji prepoznaju i cijepaju specifični enzimi. Kada se mitohondrijska RNA obradi, pojedinačni fragmenti mRNA, rRNA i tRNA oslobađaju se iz primarnog prijepisa. Dakle, presavijene tRNA djeluju kao manje interpunkcije.
Mitohondrijske bolesti
Koncept da je mtDNA posebno osjetljiva na reaktivne vrste kisika koje stvara respiratorni lanac zbog svoje blizine ostaje kontroverzan. mtDNA ne nakuplja više oksidativne baze nego nuklearna DNA. Zabilježeno je da se barem neke vrste oksidativnih oštećenja DNA popravljaju učinkovitije u mitohondrijima nego u jezgri. mtDNA je pakirana s proteinima za koje se čini da su jednako zaštitni kao i proteini nuklearnog kromatina. Štoviše, mitohondriji su razvili jedinstveni mehanizam koji održava integritet mtDNA razgradnjom prekomjerno oštećenih genoma nakon čega slijedi replikacija netaknute/popravljene mtDNA. Ovaj mehanizam je odsutan u jezgri i aktivira ga nekoliko kopija mtDNA prisutnih u mitohondrijima. Rezultat mutacije u mtDNA može biti promjena u uputama za kodiranje određenih proteina, što može utjecati na metabolizam i/ili sposobnost organizma.
Mutacije mitohondrijske DNA mogu dovesti do brojnih bolesti, uključujući nepodnošljivost tjelovježbe i Kearns-Sayreov sindrom (KSS), koji uzrokuje gubitak pune funkcije srca, očiju i pokreta mišića. Neki dokazi upućuju na to da mogu značajno pridonijeti procesu starenja i da su povezani s patologijom povezanom sa starenjem. Konkretno, u kontekstu bolesti, udio mutantnih molekula mtDNA u stanici naziva se heteroplazma. Raspodjela heteroplazme unutar i između stanica diktira početak i ozbiljnost bolesti i pod utjecajem je složenih stohastičkih procesa unutar stanice i tijekom razvoja.
Mutacije u mitohondrijskim tRNA mogu biti odgovorne za ozbiljne bolesti kao što su MELAS i MERRF sindromi.
Mutacije u nuklearnim genima koji kodiraju proteine koji koriste mitohondrije također mogu pridonijeti mitohondrijskim bolestima. Ove bolesti ne slijede mitohondrijske obrasce nasljeđivanja, već slijede Mendelove obrasce nasljeđivanja.
Nedavno su se mutacije u mtDNA koristile za pomoć u dijagnosticiranju raka prostate kod pacijenata s negativnim rezultatima biopsije.
Mehanizam starenja
Iako je ideja kontroverzna, neki dokazi ukazuju na vezu između starenja i mitohondrijske disfunkcije u genomu. U biti, mutacije u mtDNA ometaju pažljivu ravnotežu proizvodnje reaktivnog kisika (ROS) i enzimske proizvodnje ROS (pomoću enzima kao što su superoksid dismutaza, katalaza, glutation peroksidaza i drugi). Međutim, neke mutacije koje povećavaju proizvodnju ROS (na primjer, smanjenjem antioksidativne obrane) kod crva povećavaju, umjesto da smanjuju, njihovu dugovječnost. Osim toga, goli štakori moljca, glodavci veličine miša, žive približno osam puta dulje od miševa, unatoč smanjenoj antioksidativnoj obrani i povećanom oksidativnom oštećenju biomolekula u usporedbi s miševima.
U jednom trenutku vjerovalo se da je na djelu bila dobra povratna sprega ("Začarani krug"); kako mitohondrijska DNK akumulira genetsko oštećenje uzrokovano slobodnim radikalima, mitohondriji gube funkciju i oslobađaju slobodne radikale u citosol. Smanjena funkcija mitohondrija smanjuje ukupnu metaboličku učinkovitost. Međutim, ovaj koncept je konačno opovrgnut kada je pokazano da miševi genetski modificirani da akumuliraju mutacije mtDNA povećanom brzinom stare prerano, ali njihova tkiva ne proizvode više ROS-a, kao što predviđa hipoteza "začaranog kruga". Podržavajući vezu između dugovječnosti i mitohondrijske DNK, neke su studije otkrile korelacije između biokemijskih svojstava mitohondrijske DNK i dugovječnosti vrste. Provode se opsežna istraživanja kako bi se dalje istražila ova povezanost i tretmani protiv starenja. Trenutno su genska terapija i dodaci prehrani popularna područja istraživanja koja su u tijeku. Bjelaković i sur. analizirali su rezultate 78 studija između 1977. i 2012., u kojima je sudjelovalo ukupno 296.707 sudionika, i zaključili da dodaci antioksidansa ne smanjuju smrtnost iz bilo kojeg uzroka niti produžuju životni vijek, dok neki od njih, poput beta-karotena, vitamina E i više doze vitamina A, zapravo mogu povećati smrtnost.
Prijelomne točke brisanja često se pojavljuju unutar ili u blizini regija koje pokazuju nekanonske (ne-B) konformacije, naime elemente ukosnice, križa i djeteline. Osim toga, postoje dokazi da su krivuljaste regije spiralne distorzije i duge G-tetrade uključene u otkrivanje događaja nestabilnosti. Osim toga, točke veće gustoće dosljedno su uočene u regijama s GC iskrivljenjem iu neposrednoj blizini fragmenta degenerirane sekvence YMMYMNNMMHM.
Kako se mitohondrijska DNK razlikuje od nuklearne DNK?
Za razliku od nuklearne DNK, koja se nasljeđuje od oba roditelja i u kojoj se geni preuređuju kroz proces rekombinacije, obično nema promjena u mtDNK od roditelja do potomka. Iako se mtDNA također rekombinira, ona to čini sa svojim kopijama unutar istog mitohondrija. Zbog toga je stopa mutacije životinjske mtDNA veća od one nuklearne DNA. mtDNA je moćan alat za praćenje matične loze i korištena je u ovoj ulozi za praćenje podrijetla mnogih vrsta prije više stotina generacija.
Brza stopa mutacije (kod životinja) čini mtDNA korisnom za procjenu genetskih odnosa pojedinaca ili skupina unutar vrste, te za identificiranje i kvantificiranje filogenija (evolucijskih odnosa) među različitim vrstama. Da bi to učinili, biolozi određuju i zatim uspoređuju sekvencu mtDNA različitih jedinki ili vrsta. Podaci iz usporedbi koriste se za izgradnju mreže odnosa između sekvenci koje daju procjenu odnosa između jedinki ili vrsta iz kojih je uzeta mtDNA. mtDNA se može koristiti za procjenu odnosa između blisko povezanih i udaljenih vrsta. Zbog visoke učestalosti mutacija mtDNA u životinja, kodoni 3. položaja se relativno brzo mijenjaju i tako daju informacije o genetskim udaljenostima između blisko povezanih jedinki ili vrsta. S druge strane, stopa supstitucije mt proteina je vrlo niska, pa se promjene aminokiselina sporo akumuliraju (s odgovarajućim sporim promjenama na poziciji 1. i 2. kodona) i tako daju informacije o genetskim udaljenostima dalekih srodnika. Statistički modeli koji zasebno razmatraju stope supstitucije među pozicijama kodona mogu se stoga koristiti za simultanu procjenu filogenija koje sadrže i blisko povezane i udaljene vrste.
Povijest otkrića mtDNA
Mitohondrijsku DNK otkrili su 1960-ih Margit M. K. Nas i Silvan Nas koristeći elektronsku mikroskopiju kao lance osjetljive na DNazu unutar mitohondrija, te Ellen Hasbrunner, Hans Tappi i Gottfried Schatz iz biokemijskih analiza visoko pročišćenih frakcija mitohondrija.
Mitohondrijska DNK je prvi put prepoznata 1996. u predmetu Tennessee protiv Paula Warea. Godine 1998., u sudskom slučaju Commonwealth of Pennsylvania protiv Patricie Lynn Rorrer, mitohondrijska DNK je prvi put primljena kao dokaz u državi Pennsylvaniji. Slučaj je prikazan u epizodi 55 5. sezone serije True Drama Forensic Court Case (sezona 5).
Mitohondrijska DNK je prvi put prepoznata u Kaliforniji tijekom uspješnog kaznenog progona Davida Westerfielda za otmicu i ubojstvo 7-godišnje Danielle van Dam 2002. u San Diegu, a korištena je za identifikaciju i ljudi i pasa. Ovo je bio prvi test u SAD-u koji je razlučio pseći DNK.
baze podataka mtDNA
Stvoreno je nekoliko specijaliziranih baza podataka za prikupljanje sekvenci mitohondrijskog genoma i drugih informacija. Iako se većina njih usredotočuje na podatke o slijedu, neki uključuju filogenetske ili funkcionalne informacije.
- MitoSatPlant: mikrosatelitska baza podataka mitohondrijskih viridibiljki.
- MitoBreak: Baza podataka prijelomnih točaka mitohondrijske DNA.
- MitoFish i MitoAnnotator: baza podataka mitohondrijskog genoma riba. Vidi također Cawthorn et al.
- MitoZoa 2.0: baza podataka za komparativnu i evolucijsku analizu mitohondrijskih genoma (više nije dostupno)
- InterMitoBase: označena baza podataka i platforma za analizu interakcija protein-protein za ljudske mitohondrije (posljednji put ažurirano 2010., ali još uvijek nije dostupno)
- Mitome: baza podataka za usporednu genomiku mitohondrija u metazoa (više nije dostupno)
- MitoRes: resurs za nuklearno kodirane mitohondrijske gene i njihove proizvode u metazoama (više se ne ažurira)
Postoji nekoliko specijaliziranih baza podataka koje izvješćuju o polimorfizmima i mutacijama u ljudskoj mitohondrijskoj DNK zajedno s procjenama njihove patogenosti.
- MITOMAP: zbirka polimorfizama i mutacija u ljudskoj mitohondrijskoj DNA.
- MitImpact: Zbirka predviđenih predviđanja patogenosti za sve promjene nukleotida koje uzrokuju nesinonimne supstitucije u genima za kodiranje ljudskih mitohondrijskih proteina.
Struktura nukleinskih kiselina.
N.k. su univerzalna informacijska makromolekula stanice čija je glavna funkcija: 1) Pohranjivanje nasljedne informacije u obliku genetskog koda. 2) Reprodukcija nasljedne informacije samodupliciranjem ili replikacijom DNK. 3) Implementacija nasljedne informacije u procesu biosinteze proteina. N. do prvi put dobiven iz jezgri gnojnih stanica. Kemijska analiza je pokazala da postoje dvije vrste DNK: 1) DNK, 2) RNK. DNK se nalazi u jezgri, mitohondrijima i centriolima. RNK se nalazi u jezgri, u jezgrici, u ribosomima i mitohondrijima. Kemijski, nc su polimeri koji se sastoje od polinukleotidnih lanaca, monomera n.c. Ja sam nukleotid. U DNK ih ima 4 vrste: A, T, G, C. U RNK se umjesto timina nalazi uracil. Po strukturi adenin i gvanin su purinske baze
Svojstva i funkcije DNA.
Kemijska analiza je pokazala da postoje dvije vrste DNK: 1) DNK, 2) RNK. DNK se nalazi u jezgri, mitohondrijima i centriolima. RNK se nalazi u jezgri, u jezgrici, u ribosomima i mitohondrijima. Kemijski, nc su polimeri koji se sastoje od polinukleotidnih lanaca, monomera n.c. Ja sam nukleotid. U DNK ih ima 4 vrste: A, T, G, C. U RNK se umjesto timina nalazi uracil. Po strukturi adenin i gvanin su purinske baze
1 benzenski prsten) T,C,U (pirimidinske baze – 2 benzenska prstena). DNK je spirala koja se sastoji od dva polinukleotidna lanca. Polinukleotidni lanci sastoje se od nukleotida međusobno povezanih vodikovim vezama koje tvore komplementarne parove. U DNK A=T, G=C (Chargaffovo pravilo 1951). Nukleotidi u svakom lancu DNK međusobno su povezani tako da je 5. šećerni ugljik prethodnog nukleotida povezan s 3. šećernim ugljikom sljedećeg. Zahvaljujući tim vezama, molekula DNA ima dva kraja. Promjer LNC spirale je 2 nm. Jedan zavoj spirale iznosi 3,4 nm. Udaljenost između nukleotida je 0,34 nm. Svaki zavoj spirale sadrži 10 pari nukleotida. U DNA postoji nekoliko razina organizacije: 1) Primarna struktura je redoslijed rasporeda nukleotida u komplementarnim lancima. 2) Sekundarna struktura – dvostruka spirala DNA. 3) Tercijarni – DNA u kromosomima.
Značajke strukture mitohondrijske DNA.
Mitohondrijska DNA (mtDNA) - DNA lokalizirana (za razliku od nuklearne DNA) u mitohondrijima, organelama eukariotskih stanica.
U većini proučavanih organizama, mitohondriji sadrže samo kružne molekule DNA; u nekim biljkama istovremeno su prisutne i kružne i linearne molekule, au nizu protista (na primjer, cilijata) postoje samo linearne molekule. Mitohondriji sisavaca obično sadrže dvije do deset identičnih kopija kružnih molekula DNA. Kod biljaka svaki mitohondrij sadrži nekoliko molekula DNA različitih veličina koje su sposobne za rekombinaciju. Kod protista iz reda kinetoplastida (primjerice tripanosoma) poseban dio mitohondrija (kinetoplast) sadrži dvije vrste molekula DNA – identične maksi. -prstenovi (20-50 komada) dužine oko 21 kb. i mini-prstenovi (20 000 - 55 000 komada, oko 300 varijanti, prosječna duljina oko 1000 bp). Svi su prstenovi povezani u jedinstvenu mrežu (katenane), koja se uništava i obnavlja sa svakim ciklusom replikacije. Maxi-prstenovi su homologni mitohondrijskom DNA drugih organizama. Svaki mini-prsten sadrži četiri slične očuvane regije i četiri jedinstvene hipervarijabilne regije. Minikrugovi kodiraju kratke vodeće molekule RNK (guideRNA) koje uređuju RNK prepisanu iz gena maksikruga. Mitohondrijska DNA (mtDNA) je genom staničnih organela – mitohondrija. Endosimbiotsko podrijetlo ovih organela određuje poluautonomno postojanje mitohondrijskog genetskog sustava. Dakle, sinteza DNA u mitohondrijima odvija se neovisno o sintezi nuklearne DNA, a nasljeđivanje ove citoplazmatske genetske strukture - mitohondrijskog kromosoma - normalno se događa isključivo po majčinoj liniji. To autorima daje temelj za uvjetnu identifikaciju skupa mitohondrijskih gena i svih replicirajućih fragmenata mtDNA u zaseban genetski resurs populacije - mitohondrijski genski fond. Strukture koje sadrže DNA u mitohondrijima identificirane su 60-ih godina prošlog stoljeća. Tijekom proteklih četvrt stoljeća detaljno je proučavana strukturna i funkcionalna organizacija mitohondrijskog genoma ljudi i mnogih životinjskih vrsta. Mitohondrijski kromosom predstavljen je kružnom dvolančanom molekulom DNA, koja je prisutna u organeli u obliku kovalentno zatvorenog superzavojnog oblika povezanog s unutarnjom membranom mitohondrija. Svaka organela sadrži od 1 do 8 molekula DNA, što je 1000 – 8000 kopija po stanici. U pravilu, jedan organizam ima jedan oblik mtDNA, tj. jedan haplotip naslijeđen po majčinoj liniji.
Vrste RNA u stanicama.
Postoje tri vrste RNA u stanicama: 1) I-RNA (messenger ili messenger RNA).
2) R-RNA (ribosomska RNA).
3) T-RNA (prijenosna RNA)
Messenger RNA se sintetizira i prepisuje u DNA i nosi informacije za sintezu proteina. R-RNA i T-RNA se sintetiziraju u jezgrici jezgre. Jezgrica je dio kromosoma koji ima satelite. Nukleolarna DNA sadrži gene na kojima se sintetiziraju R-RNA i T-RNA. R-RNA se nalaze u ribosomima (male i velike podjedinice). Namjena: preko male podjedinice, AK se veže na T-RNA preko ATP-a. Razlika između DNA i RNA: 1) RNA se sastoji od jednog lanca. 2) RNK ima šećer – ribozu. 3) RNK je kraća od DNK. 4) T-RNA ima oblik tercijarne strukture. Glasnička (informacijska) RNA - RNA, koja služi kao posrednik u prijenosu informacija kodiranih u DNA do ribosoma, molekularnih strojeva koji sintetiziraju proteine u živom organizmu. Kodirajuća sekvenca mRNA određuje sekvencu aminokiselina polipeptidnog lanca proteina
Transportne (tRNA) su male molekule, koje se sastoje od približno 80 nukleotida, s konzervativnom tercijarnom strukturom. Oni prenose specifične aminokiseline do mjesta sinteze peptidne veze u ribosomu. Svaka tRNA sadrži mjesto za pričvršćivanje aminokiselina i antikodon za prepoznavanje i pripajanje na kodone mRNA. Ribosomska RNA (rRNA) je katalitička komponenta ribosoma. Eukariotski ribosomi sadrže četiri vrste molekula rRNA: 18S, 5.8S, 28S i 5S. Tri od četiri tipa rRNA sintetiziraju se u jezgrici. U citoplazmi se ribosomske RNA spajaju s ribosomskim proteinima u nukleoprotein koji se naziva ribosom. Ribosom se veže za mRNA i sintetizira protein. rRNA čini do 80% RNA koja se nalazi u citoplazmi eukariotske stanice
