DNA מיטוכונדריאלי: מאפיינים, פונקציות, ירושה, מחלות - ביולוגיה - 2025

ה- DNA המיטוכונדריאלי הוא מולקולת DNA קטנה ומעגלית שנמצאת בתוך האברונים הללו בתאים אוקיוטריים. הגנום הקטן הזה מקודד למספר מוגבל מאוד של חלבונים וחומצות אמינו במיטוכונדריה. מקובל למצוא את השם "DNA מיטוכונדריאלי" המקוצר בספרי לימוד רבים ומאמרים מדעיים כ- "mtDNA" או באנגלית "mtDNA".

מיטוכונדריה הן אברונים חיוניים לתאים אוקריוטים, מכיוון שהם אחראים על הפיכת האנרגיה ממזון הנצרך בצורה של סוכרים לצורת אנרגיה שתאים יכולים להשתמש בהם (ATP, למשל).

DNA מיטוכונדריאלי (מקור? המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי, באמצעות ויקימדיה Commons)

לכל התאים באורגניזמים אאוקריוטיים יש בתוכם לפחות מיטוכונדריון אחד. עם זאת, ישנם תאים כמו תאי שריר לב ותאי שריר שלד שיכולים להיות בתוכם מאות מיטוכונדריה.

למיטוכונדריה מכשירים לסינתזת חלבון משלהם ללא תלות במנגנון התא, עם ריבוזומים, העברת RNAs, וסינתזת RNA-transferase-amino-amyl משטח הפנים של האיבר. אם כי RNA ריבוזומלי קטן מזה של התא המאכלס אותם.

מנגנון כזה מראה דמיון רב למנגנון של סינתזת חלבון של חיידקים. יתר על כן, כמו בפרוקריוטות, מכשיר זה רגיש ביותר לאנטיביוטיקה, אך שונה מאוד מזה של סינתזת חלבון בתאים אוקריוטיים.

המונח "מיטוכונדריה" הוצג על ידי בנדה בסוף המאה ה -12 והתיאוריה של "אנדוסימביוזה" היא המקובלת ביותר לגבי מקורו. זה פורסם בשנת 1967 על ידי לין מרגוליס, בכתב העת לביולוגיה תיאורטית.

התיאוריה של "אנדוסימביוזה" מציבה את מקור המיטוכונדריה לפני מיליוני שנים. תיאורציה היא שאב קדמון סלולרי של תאים אוקריוטים "התעטף" ושילב אורגניזם דמוי חיידק בחילוף החומרים שלו, שהפך לימים למה שאנחנו מכירים כיום כמיטוכונדריה.

מאפיינים

אצל יונקים, בדרך כלל כל הגנום הכולל את ה- DNA המיטוכונדריאלי מאורגן בכרומוזום מעגלי של 15,000 עד 16,000 זוגות של נוקלאוטידים או, מה זהה, של 15 עד 16 Kb (קילובאז).

בתוך רוב המיטוכונדריה אתה יכול לקבל עותקים מרובים של הכרומוזום המיטוכונדריאלי. בתאים סומטיים אנושיים (תאים שאינם מין) מקובל למצוא לפחות 100 עותקים של הכרומוזום המיטוכונדריאלי.

בצמחים גבוהים יותר (אנגיוספרמים) ה- DNA המיטוכונדריאלי בדרך כלל גדול בהרבה, למשל, בצמח התירס הכרומוזום המעגלי של ה- DNA המיטוכונדריאלי יכול להגיע עד 570 Kb.

ה- DNA המיטוכונדריאלי תופס כ -1% מכלל ה- DNA של התאים הסומטיים של רוב בעלי החוליות. זהו DNA שמור מאוד בממלכת החיות, בניגוד למה שנצפה בצמחים, בהם קיים מגוון רחב.

בכמה תאים אוקראוטיים "ענקיים" כמו ביציות (תאי מין נקביים) של יונקים או בתאים המכילים מיטוכונדריות רבות, ה- DNA המיטוכונדריאלי יכול להוות עד 1/3 מכלל ה- DNA התאי.

ל- DNA המיטוכונדריאלי יש כמה תכונות שונות מזו של DNA גרעיני: יש לו צפיפות ויחס שונים של זוגות בסיס גואנין-ציטוזין (GC) ואדנין-תמין (AT).

צפיפות זוג הבסיס של ה- GC ב- DNA המיטוכונדריאלי היא 1.68 גרם / ס"מ 3 והתוכן הוא 21%; בעוד שב- DNA גרעיני צפיפות זו היא 1.68 גרם / ס"מ 3 והתוכן כ- 40%.

מאפיינים

ל- DNA המיטוכונדרי יש לפחות 37 גנים החיוניים לתפקוד התקין של המיטוכונדריה. מבין אלה 37, 13 מחזיקים במידע לייצור האנזימים המעורבים בזרחן חמצוני.

13 גנים אלה מקודדים ל -13 רכיבי פוליפפטיד במתחמי האנזים השייכים לשרשרת ההובלה האלקטרונית ונמצאים בקרום הפנימי של המיטוכונדריה.

למרות 13 הפוליפפטידים ש- DNA המיטוכונדריאלי תורם לשרשרת ההובלה האלקטרונית, הוא מורכב מיותר ממאה פוליפפטידים שונים. עם זאת, 13 רכיבים אלה חיוניים לפוספורילציה חמצונית ולשרשרת ההובלה האלקטרונית.

סכמטי של DNA מיטוכונדריאלי (מקור: Mikibc ~ commonswiki, באמצעות Wikimedia Commons)

בין 13 הפוליפפטידים המסונתזים מ- DNA המיטוכונדריאלי, בולטות יחידות המשנה I, II ו- III של קומפלקס ציטוכרום C ותכונת המשנה VI של משאבות ATPase המשובצות בקרום הפנימי של האברון.

המידע הדרוש לסינתזה של שאר המרכיבים המרכיבים את המיטוכונדריה מקודד על ידי גנים גרעיניים. אלה מסונתזים בציטופלזמה כמו שאר החלבונים התאיים ואז מיובאים למיטוכונדריה הודות לאותות ספציפיים.

בזרחן חמצוני, אטומי חמצן וסוכר כמו גלוקוז משמשים לסינתזה או להיווצרות של אדנוזין טריפוספט (ATP), שהוא המין הכימי המשמש את כל התאים כמקור אנרגיה.

לשאר הגנים המיטוכונדריים יש הוראות לסינתזת RNAs העברה (tRNAs), RNAs ribosomal והאנזים aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA), הנחוצים לסינתזת חלבון במיטוכונדריה.

מוֹרֶשֶׁת

עד לא מזמן יחסית חשבו כי ה- DNA המיטוכונדריאלי מועבר אך ורק דרך ירושה אימהית, כלומר בירידה ישירה מהאם.

עם זאת, מאמר שפרסם Shiyu Luo ועמיתיו בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences of United States of America (PNAS) בינואר 2019, מצא כי במקרים נדירים ניתן לרשת את שני ה- DNA המיטוכונדריאלי משני ההורים, שניהם של האב כמו של האם.

לפני פרסום המאמר, עובדה זו הייתה עובדה עבור מדענים כי ה- DNA של הכרומוזום Y והמיטוכונדריאלי עבר בירושה שלם מהאב והאם בהתאמה לצאצאים.

הירושה ה"שלמה "של הגנים בכרומוזום Y של הגנים המיטוכונדריים מרמזת על כך שהחומר הגנטי האמור אינו עובר שינויים על ידי רקומבינציה, ובמשך השנים, משתנים רק בגלל מוטציות ספונטניות, ולכן השונות נמוכה למדי .

מסיבה זו, מרבית מחקרי גיוס האוכלוסייה נעשים על בסיס גנים אלה, שכן למשל, לגנטיקאים קל לבנות אילנות יוחסין באמצעות DNA מיטוכונדריאלי.

חלק גדול מההיסטוריה האנושית שוחזר באמצעות ההיסטוריה הגנטית של ה- DNA המיטוכונדריאלי. בתי עסקים רבים אף מציעים להבהיר את הקשר המשפחתי של כל אדם חי עם אבות אבותיו באמצעות טכניקות העוסקות במאפיינים אלה.

שכפול

המודל הראשון של שכפול ה- DNA המיטוכונדריאלי הוצע בשנת 1972 על ידי וינוגרד ומשתפי הפעולה, ודגם זה עדיין תקף, עם כמה שינויים. באופן כללי, המודל מבוסס על שכפול חד כיווני המתחיל בשני מקורות שכפול שונים.

מדענים מסווגים את הכרומוזום המיטוכונדריאלי לשתי שרשראות שונות, השרשרת הכבדה, H או OH, מאנגלית "כבדה" ושרשרת קלה, L או OL מ"קל ". אלה מזוהים וממוקמים בשתי מסגרות הקריאה הפתוחות שלא הוקצו (URF) על הכרומוזום המיטוכונדריאלי.

שכפול הגנום המיטוכונדריאלי מתחיל בשרשרת הכבדה (OH) ונמשך בכיוון אחד עד לייצור המלא של השרשרת הקלה (OL). בהמשך, חלבונים המכונים "חלבונים קשורים ל- DNA חד-גדילי מיטוכונדריאלי" מחוברים להגנה על השרשרת שמתפקדת כ"הורה "או" תבנית ".

האנזימים האחראים על ההפרדה להתרחשות השכפול (replicacosome) עוברים לרצועת האור (OL) ונוצר מבנה לולאה החוסם את הכריכה של חלבונים חד-חוטיים קשורים ל- DNA המיטוכונדריאלי.

בלולאה זו פולימראז ה- RNA המיטוכונדריאלי נקשר והסינתזה של הפריימר החדש מתחילה. המעבר לסינתזה של שרשרת כבדה (OH) מתרחש 25 נוקלאוטידים לאחר מכן.

ממש בזמן המעבר לשרשרת הכבדה (OH), מוחלף פולימראז ה- RNA המיטוכונדריאלי על ידי פולימראז ה- DNA המשוכפל של המיטוכונדריה בסוף ה -3 ', שם החלה תחילה שכפול.

לבסוף, הסינתזה של שתי השרשראות, הן הכבדות (OH) והן הקלה (OL) מתמשכת ברציפות עד שנוצרות שתי מולקולות מעגליות שלמות של DNA חד-חוטים (כפול גדילים).

מחלות קשורות

ישנן מחלות רבות הקשורות לתקלה של ה- DNA המיטוכונדריאלי. רובם נגרמים על ידי מוטציות הפוגעות ברצף או במידע הכלול בגנום.

אובדן שמיעה יחסית לגידול בגיל

אחת המחלות שנחקרו בצורה הטובה ביותר שקשורה ישירות לשינויים בגנום ה- DNA המיטוכונדריאלי היא אובדן שמיעה כתוצאה מגידול בגיל.

מצב זה הוא תוצר של גורמים גנטיים, סביבתיים ואורח חיים. ככל שאנשים מתבגרים, ה- DNA המיטוכונדרי צובר מוטציות מזיקות, כמו מחיקות, טרנסלוקציות, היפוכים ועוד.

נזק ל- DNA המיטוכונדריאלי נגרם בעיקר מהצטברות של מיני חמצן תגוביים, אלה הם תוצרי לוואי של ייצור אנרגיה במיטוכונדריה.

ה- DNA המיטוכונדריאלי פגיע במיוחד לנזק, מכיוון שאין לו מערכת תיקון. לפיכך, שינויים הנגרמים על ידי מיני חמצן תגובתי פוגעים ב- DNA המיטוכונדריאלי וגורמים לתפקוד של האיבר, וגורמים למוות בתאים.

לתאי האוזן הפנימית יש ביקוש גבוה לאנרגיה. דרישה זו הופכת אותם לרגישים במיוחד לפגיעה ב- DNA המיטוכונדריאלי. נזקים אלה יכולים לשנות באופן בלתי הפיך את תפקוד האוזן הפנימית, ולהוביל לאובדן שמיעה מוחלט.

סרטן

DNA מיטוכונדריאלי רגיש במיוחד למוטציות סומטיות, מוטציות שאינן עוברות בירושה מההורים. מוטציות מסוג זה מתרחשות ב- DNA של כמה תאים לאורך חייו של האדם.

ישנן עדויות המקשרות בין שינויים ב- DNA המיטוכונדריאלי הנובעות ממוטציות סומטיות עם סוגים מסוימים של סרטן, גידולים בבלוטות החלב, במעי הגס, בבטן, בכבד ובכליה.

מוטציות ב- DNA המיטוכונדריאלי נקשרו גם לסוגי סרטן בדם כמו לוקמיה, לימפומות (סרטן תאי מערכת החיסון).

מומחים מקשרים בין מוטציות סומטיות ב- DNA המיטוכונדריאלי לבין עלייה בייצור מינים חמצן תגובתי, גורמים המגדילים את נזק ה- DNA המיטוכונדריאלי ויוצרים חוסר שליטה בצמיחת התא.

מעט ידוע כיצד מוטציות אלו מגבירות את חלוקת התאים הבלתי מבוקרת של התאים וכיצד הם בסופו של דבר מתפתחים כגידולים סרטניים.

תסמונת הקאות מחזוריות

על פי ההערכה, מקרים מסוימים של הקאות מחזוריות, האופייניות לילדות, קשורים למוטציות ב- DNA המיטוכונדריאלי. מוטציות אלו גורמות לאפיזודות חוזרות ונשנות של בחילות, הקאות ועייפות או עייפות.

מדענים מקשרים את פרקי ההקאות הללו לעובדה שמיטוכונדריה עם DNA המיטוכונדריאלי הפגוע יכולים להשפיע על תאים מסוימים במערכת העצבים האוטונומית, ומשפיעים על פונקציות כמו קצב לב, לחץ דם ועיכול.

למרות האסוציאציות הללו, עדיין לא ברור כיצד שינויים ב- DNA המיטוכונדריאלי גורמים לאפיזודות חוזרות ונשנות של תסמונת הקאות מחזוריות.

הפניות

1. קלייטון, ד (2003). שכפול DNA מיטוכונדריאלי: מה שאנחנו יודעים. חיי IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. פאלקנברג, מ '(2018). שכפול DNA מיטוכונדריאלי בתאי יונקים: סקירה כללית של המסלול. מאמרים בביוכימיה, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). ירושה מצד האם של ה- DNA המיטוכונדריאלי האנושי. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 77 (11), 6715-6719
4. לואו, ס., ולנסיה, קליפורניה, ג'אנג, ג'יי, לי, נ.צ., סלון, ג'יי, גוי, ב 'וצ'ן, ס.מ. (2019). תגובה לוצ-בוננגל ואח ': לא סביר להניח כי העברת mtDNA דו-תאי היא תוצאה של מקטעי DNA גרעיניים מיטוכונדריים. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). גורל המיטוכונדריה של אב. טבע, 565 (7739), 296-297.
6. הספרייה הלאומית לרפואה. הפניה ביתית לגנטיקה: המדריך שלך להבנת מצבים גנטיים.
7. שאדל, GS, & Clayton, DA (1997). תחזוקת DNA של מיטוכונדריאלי בחוליות. סקירה שנתית של ביוכימיה, 66 (1), 409-435.
8. סימונס, מ.ג., וסנסטאד, ד.פ. (2006). עקרונות הגנטיקה. ג'ון וויילי ובניו.