A 25-A CROMOSOMA - ADMINISTRARE IMPORTANTA (genomul mitocondrial)
Mică bobină, da scumpă.
Când acum ei declară cu voce tare despre secvențierea completă a genomului uman, atunci, de regulă, ei înseamnă un genom nuclear. În acest context, uităm cumva că în celule există molecule de ADN localizate nu numai în cromozomi, ci și în structuri intracelulare specifice menționate anterior, cum ar fi mitocondriile. Și acesta este și un genom uman, dar se numește mitocondrial și ADN - mitocondrial (scurt pentru mitADN). MitDNA este denumită în prezent cromozomul 25 sau cromozomul M. Acest ADN a fost secvențializat în 1981 de F. Senger, deja menționat, care a fost, de asemenea, o senzație în timpul său, care, totuși, a avut o rezonanță incomparabil mai mică decât secvențializarea genomului nuclear. Care este cel de-al 25-lea cromozom uman?
În celula umană există 100-1000 de mitocondrii, fiecare conținând de la 2 la 10 molecule de mitocondriile inelare cu o lungime de 16569 bp. Astfel, mărimea genomului mitocondrial este de aproximativ 200.000 de ori mai mică decât cea nucleară. Este interesant faptul că dimensiunea mitDNA la om este una dintre cele mai mici dintre organismele superioare (eucariote). De exemplu, în drojdie, mDNA conține 78520 bp. Omul ADN uman conține 37 de gene care codifică 13 lanțuri de proteine, 22 ARNm și 2 ARN ribozomale (rRNA) (Figura 30). Lanturile de proteine fac parte din proteine care sunt implicate în principal în cel mai important proces intracelular, numit fosforilare oxidativă, care furnizează celulei energie. Datorită fosforilării oxidative din mitocondrii, mai mult de 90% din moleculele ATP speciale care stau la baza energiei celulare sunt produse.
Fig. 30. Structura genomului uman mitocondrial (mitADN). MITADN conține 22 de gene care codifică tARN, 2 gene ribozomale (16S și 12S rRNA) și 13 gene care codifică proteine. Săgețile indică direcția de transcriere a genelor. Abrevieri: ND1-ND6, ND4L - gene ale subunităților complexului NADH-dehidrogenază; COI-COIII - genele de subunități ale citocromului c oxidază; ATP6, ATP8 - gene ale subunităților de sintetază ATP; Cyt b - gena citocromului b
În total, 87 de gene sunt implicate în procesul de fosforilare oxidativă, dar toate cele 74 care lipsesc sunt codificate nu de către mitocondriu, ci de genomul nuclear. Interesant, în genomul nuclear, sunt găsite site-uri precum mitADN. Se presupune că, în cursul evoluției și cu diverse patologii, a avut loc migrarea unei părți a mDNA la genomul nuclear.
Este important ca dispozitivul genomului mitocondrial să difere semnificativ de cel nuclear. Mai întâi de toate, pentru mtADN se caracterizează printr-un aranjament foarte compact al genelor, ca și în genomul bacteriilor. Spre deosebire de genomul nuclear, genele mitocondriale coexista unul cu celalalt si practic nu exista lacune intergenice intre ele. Într-o serie de cazuri, se suprapun chiar și cu un nucleotid: ultima nucleotidă a unei gene este prima în următoarea după ea. Adică genele sunt împachetate în ADN mitocondrial, precum heringul într-un butoi. În plus, majoritatea genelor mitocondriale nu conțin structuri caracteristice genelor nucleare, cum ar fi intronurile. Dar nu toate aceste diferențe. Sa constatat, în particular, că mitADN nu este supus unei modificări ca metilarea, care este caracteristică ADN-ului nuclear.
Cu toate acestea, surpriza speciala a cercetatorilor a provocat codul genetic folosit in mitADNA. Deși codul genetic este universal (cu foarte puține excepții) în lumea vie, o anumită variantă neobișnuită este folosită în mitocondrii. Majoritatea codonilor din genele mitocondriale sunt similare cu cele găsite în ADN-ul nuclear, dar există și diferențe fundamentale. În mitADN uman, patru codoni au schimbat sensul lor. Codonii AGA și AGG au devenit agenți de oprire. Codonul CAA, care se termină în ADN-ul nuclear, în mitADN nu numai că nu provoacă oprirea translatării, ci codifică triptofanul aminoacid. Metionina de aminoacizi este codificată nu prin ASC-ul unui codon, dar și prin ASC-ul codonului, care codifică izoleucina de aminoacizi în genomul nuclear.
MitDNA este responsabilă în celulă pentru sinteza a doar câteva proteine mitocondriale. Dar aceste proteine sunt foarte importante pentru celulă, deoarece ele participă la implementarea unuia dintre cele mai importante procese - furnizând celulelor energie cu energie. Astfel, mitADNA este un supliment foarte valoros al enciclopediei omului. Proteinele codificate direct de către genele mitocondriale sunt sintetizate imediat în mitocondrii. În acest scop, folosim propria polimerază ARN și propriul aparat de sinteză a proteinelor. Motivul este clar - codul genetic al mitocondriilor este special și este nevoie de un sistem special de biosinteză.
Nu toate proteinele care sunt necesare pentru existența autonomă a mitocondriilor sunt codificate de genomul mitocondrial și sintetizate aici. Pentru a face acest lucru, genomul lor este prea mic. Cele mai multe dintre proteinele mitocondriale și subunitățile individuale ale acestor proteine sunt codificate de către genomul nuclear de bază, adică nucleul și sintetizate în citoplasma celulelor. Acestea sunt apoi transportate în mitocondrii, unde interacționează cu proteine specifice codificate de ADN mitocondrial. Astfel, există o relație strânsă între genomul nuclear și cel mitocondrial, se completează reciproc.
De ce sa întâmplat evoluția celulei astfel încât o parte foarte mică a ADN să nu fie conținută în cromozomii nucleului, ci separat în interiorul mitocondriilor? Nevoia sau avantajul unei astfel de distribuții a materialului genetic este încă necunoscută. Pentru a explica acest fapt surprinzător, multe ipoteze au fost inventate. R. Altman a exprimat unul dintre primele din 1890 îndepărtat. Totuși, aceasta rămâne și astăzi relevantă. Conform acestui punct de vedere, mitocondriile au apărut în celulele organismelor superioare care nu au fost în curs de dezvoltare și diferențiere intracelulară, ci ca o simbioză naturală a organismelor superioare cu organisme aerobe inferioare. Această explicație sugerează că codul genetic mitocondrial este mai dens decât codul utilizat în ADN-ul nuclear în organismele moderne.
Dar, împreună cu aceasta, a fost exprimată o altă viziune, care până acum are dreptul să existe într-o măsură egală. Potrivit celor din urmă, după trecerea majorității genelor de la mitADN la ADN-ul nuclear în aparatul care asigură sinteza proteinelor în mitocondrii, s-au produs unele mutații. Pentru a se asigura că procesul de traducere nu este încălcat, au fost necesare mutații speciale în genele mitADN care ar "compensa" perturbările și ar permite aparatului de sinteză a proteinelor modificat să-și îndeplinească activitatea. Dacă pornim de la această ipoteză, atunci codul mitocondrial nu ar trebui să fie considerat mai vechi, ci, dimpotrivă, mai mult ca unul mai tânăr.
Se remarcă faptul că genomul mitocondrial este mai rănit decât genomul nuclear. Ca rezultat, apar deseori mutații diferite (mutații punctuale, pierderi reduse ADN-uri mici și, dimpotrivă, inserții-inserții). Există deja numeroase boli umane asociate cu modificări ale mitocondriilor. Mutațiile patologice se găsesc în aproape toate genele mitocondriale. În același timp, se observă o mare varietate de semne clinice datorate aceleiași afectări moleculare. Sa constatat o corelație a unor mutații și modificări ale expresiei genelor mitocondriale cu debutul cancerului. În special, a fost observată în mod repetat în cancerul de sân și în limfoame creșterea genei care codifică unul din lanțurile unui complex proteic care participă la aprovizionarea celulelor cu energie (subunitatea II a citocromului c oxidază). Unele, din fericire, rare, bolile umane ereditare severe sunt, de asemenea, cauzate de mutații în genele individuale de mtADN. În Rusia, există un program special pentru diagnosticarea și prevenirea bolilor mitocondriale.
Un alt factor surprinzător legat de mitADN se referă la moștenirea sa. Sa constatat că mitADNA este transmisă din generație în generație într-un mod fundamental diferit de ADN-ul cromozomial. Corpul uman se dezvoltă dintr-o celulă de ou fertilizat care conține cromozomii ambilor părinți. Când este fertilizat, sperma penetrează în ou cu un set de cromozomi paterni, dar practic fără mitocondriile paterne și, prin urmare, fără ADN mitocondrial paternal. Numai ovulul furnizează embrionul cu mitocondriile sale. Aceasta conduce la consecințe importante: ADNmt este transmis numai prin linia feminină. Cu toții suntem doar de la mama noastră, iar ea este chiar mai devreme de ea, și așa mai departe, în rândurile doar a generațiilor de femei. Fiii, spre deosebire de fiice, nu le transmit mitADNA - lanțul se va rupe. În acest fel, ADN-ul formează clone - linii ereditare care se pot ramifica (dacă o femeie are mai multe fiice), dar spre deosebire de ADN-ul cromozomial nu se poate combina într-un singur organism și nu creează noi combinații genetice. Din acest motiv, a fost interesant să se compare mDNA în reprezentanții diferitelor etnii umane, adică rasele și naționalitățile. Astfel de comparații au fost începute la sfârșitul anilor 1980 și continuă până în prezent. Vom vorbi mai multe despre acest lucru în continuare.
Astfel, astfel de procese de bază ca transcrierea, translația, replicarea și repararea ADN-ului mitocondrial depind într-o mare măsură de genomul nuclear, dar nu este complet clar modul în care aceste două genomuri sunt integrate unul cu celălalt. Studiul mecanismelor interacțiunii intergenomice poate fi util în multe privințe, în special pentru înțelegerea imaginii integrale a diferitelor patologii umane, inclusiv degenerarea celulară malignă.
Distribuiți această pagină