Det mitokondrielle genomet eller mitokondrielle DNA ( mtDNA/mDNA ) er det genetiske materialet som finnes i mitokondriene , organellene som genererer energi til cellen . [ 1 ] Mitokondrielt DNA reproduserer seg selv semi-autonomt når den eukaryote cellen deler seg. [ 2 ]
Mitokondrielt DNA ble oppdaget i 1963 av Margit MK Nass og Sylvan Nass ved bruk av elektronmikroskopi og en markør som er følsom for mitokondriell DNA. [ 3 ] Evolusjonsmessig stammer mitokondrielt DNA sannsynligvis fra sirkulære genomer som var omfattet av en gammel stamfar til eukaryote celler .
Dette DNA, som bakterielle DNA -er, er et lukket, sirkulært, dobbelttrådet molekyl uten ender (mitokondrielt kromosom). Hos mennesker er den 16 569 basepar i størrelse, og inneholder et lite antall gener , fordelt mellom H-kjeden (for tung ) og L-kjeden (for lett ), på grunn av deres forskjellige tetthet når de sentrifugeres i en CsCl- gradient . [ 4 ]
Antall gener i mitokondrielt DNA er 37, [ 5 ] sammenlignet med 20 000 - 25 000 gener i humant kjernefysisk kromosomalt DNA. [ 6 ] Den koder for to ribosomale RNA - er, 22 overførings-RNA-er og 13 proteiner involvert i oksidativ fosforylering . Mitokondriekromosomet er organisert i " nukleoider ", av variabel størrelse og ca. 0,068 nanometer i størrelse hos mennesker, [ 7 ] og dannet av mellom 5-7 kromosomer og noen proteiner, som for eksempel mitokondriell transkripsjonsfaktor A , proteinet som bindes til enkelttrådet mitokondrielt DNA og Twinkle helicase . Antallet per mitokondrier er svært varierende, men fordelingen er med faste intervaller, og mange av dem ser ut til å være lokalisert i "mitokondrierørene." [ 8 ] Det ser ut til at de mitokondrielle nukleoidene kan ha en "lagdelt" oppførsel, og utføre replikasjonen i sentrum, mens de i periferien plasserer translasjonen av proteinene som er nødvendige for respirasjonskjeden. [ 4 ] Antallet slike nukleoider vil være flere hundre (400-800) i dyrkede celler, [ 9 ] og mye mindre i andre arter hvor størrelsen deres er større. [ 7 ]
Mitokondrielt DNA replikerer hele tiden, uavhengig av syklus og celletype. Det antas at det foregår asynkront, det vil si at det foregår på de to kjedene til forskjellige tider og med to forskjellige opphav i motsatte retninger. Begynnelsen ville finne sted ved opprinnelsen til den tunge kjeden, plassert i D-løkken, og den ville replikere ved å ta den lette kjeden som en mal. Når den andre opprinnelsen, to tredjedeler av veien fra den første, er nådd, begynner den andre replikasjonsrunden i motsatt retning. Et nytt replikeringssystem er foreslått som vil eksistere side om side med det første. Det ville være toveis og ville innebære koordinering mellom fremre og etterslepende tråder. Polymerase γ og glimthelicase ville være involvert i pattedyrreplikasjon . [ 10 ]
Mitokondrielt DNA utsettes for betydelig stress på grunn av sin nærhet til sentrene for produksjon av frie oksygenradikaler, slik at de har et variert og komplekst reparasjonsmaskineri, som inkluderer ulike former for rekombinasjon, både homologe og inhomologe [ 11 ]
Det mitokondrielle genomet til eukaryoter oppsto sannsynligvis etter endocytose av aerobe eubakterier og den påfølgende suksessive overføringen av mange gener til kjernegenomet. [ 12 ]
Denne hypotesen oppsto fordi organiseringen av mitokondriegenomet er radikalt forskjellig fra kjernegenomet. Mitokondrielle genomer presenterer flere kjennetegn ved prokaryote genomer som:
Utviklingen av den mitokondrielle genetiske koden er sannsynligvis et resultat av redusert seleksjonstrykk som svar på sterkt redusert kodingsevne.
Mitokondriell DNA koder for tretten proteiner involvert i cellulær energiproduksjon og oksidative fosforyleringsprosesser . Derfor er miljøet rundt mitokondriene og mitokondrielt DNA utsatt for oksidativ skade produsert av frie radikaler generert i denne metabolismen. Hvis vi til dette legger til at det genetiske materialet til mitokondriene ikke er beskyttet av histoner , som kjernefysisk DNA, og at DNA-skadereparasjonsmekanismene er ineffektive i mitokondriene, får vi som et resultat at mutasjonshastigheten øker til å være ti ganger større enn kjernegenomet . [ referanse nødvendig ]
Menneskelig mitokondriell DNA arves bare mors. Ifølge denne oppfatningen, når en sædcelle befrukter et egg , trenger den inn i kjernen og halen sammen med mitokondriene blir ødelagt i morens egg. Derfor ville bare mitokondriene i eggløsningen gripe inn i utviklingen av zygoten. [ 13 ] Det er imidlertid vist at sæd-mitokondrier kan komme inn i egget. Ifølge noen forfattere kan farens mitokondrielle DNA vedvare i enkelte vev, for eksempel muskler. [ 14 ] Ifølge andre blir den ikke arvelig da den er preget av ubiquitinering og degradert. [ 15 ]
Mitokondriell DNA viser oss matrilineære aner, der vår siste felles stamfar har blitt kalt "Mitokondriell Eva".
Mitokondriell Eva har fått en gjennomsnittsalder på 190 000 år, og stedet der den levde kunne falle sammen med det høyeste mitokondrielle genetiske mangfoldet, funnet i Tanzania , Øst-Afrika.
Mitokondrielt DNA kan brukes til å identifisere individer sammen med andre bevis. Det brukes også av rettsmedisinske laboratorier for å karakterisere gamle menneskelige skjelettprøver. I motsetning til kjernefysisk DNA, brukes ikke mitokondrielt DNA for entydig å identifisere individer, men det brukes til å oppdage forhold mellom grupper av individer; den brukes deretter til sammenligninger mellom savnede personer og uidentifiserte levninger og deres slektninger. [ 16 ]
Menneskelig mitokondrie-DNA har unike egenskaper som gjør det svært egnet for mikroevolusjonære studier: mitokondrie -genomet er utelukkende arvet av mor, uten rekombinasjon; det er et fragment i dette genomet på 400 bp (basepar) svært polymorft, og det har en høy frekvens av mutasjoner (5 til 10 ganger høyere enn kjernefysisk DNA). [ 17 ]
Dette DNA kan ekstraheres fra prøver av ethvert vev, inkludert blod og beinvev. Takket være tilstedeværelsen i beinet er det mulig å få genomet til individer som har vært døde i mange år. Genomisk sekvensanalyse brukes til å studere fylogenetiske forhold, ikke bare hos mennesker, men også i mange andre organismer. Av denne grunn brukes den til å bestemme variasjon i naturlige populasjoner (for å se om det er innavl eller ikke ), nyttig informasjon for bevaring av arter i fare for utryddelse.
Det finnes forskningsstudier som bruker mitokondrielle gener som kan forårsake en eller annen type sykdom . Noen forskere hevder at det er mulig at tendensen til fedme er arvet av maternelle mitokondrielle gener. Denne oppdagelsen representerer et tiltak mot dette problemet hvis det var mulig å regulere mitokondrielt DNA med visse stoffer. Det mitokondrielle genomet har mange fordeler for å studere evolusjonære forhold. På grunn av sin mindre størrelse er mtDNA lettere å studere enn kjernefysisk DNA; videre kan det ekstraheres i store mengder, fordi hver celle har flere mitokondrier . mtDNA utvikler seg raskere og rekombinerer ikke, og passerer intakt mellom generasjoner bortsett fra mutasjoner, noe som gjør det lettere å identifisere forholdet mellom svært like organismer.
mtDNA ble brukt for første gang i 2016, da en forskergruppe brukte teknikken kjent som "av de tre foreldrene", som består i å bruke en liten del av mtDNA fra en annen kvinnelig donor, for å unngå den genetiske sykdommen som kalles Leigh syndrom ., som hovedsakelig påvirker mitokondriene.
I 2000 konkluderte en studie av menneskelig genetikk utført av University of Oxford basert på mitokondriell DNA fra 6000 prøver at den europeiske befolkningen kunne klassifiseres i syv klasser, som hver kom fra en enkelt kvinne. Den første europeiske "Eva" levde i dagens Hellas for rundt 45 000 år siden. De andre seks Evas dukket opp på forskjellige steder og tider: den andre levde i Kaukasus for 25 000 år siden; den tredje for rundt 20 000 år siden i Toscana og den fjerde for 17 000 år siden i Cantabria ; den femte levde i Pyreneene -området for 17 000 år siden; den sjette dukket opp i det sentrale Italia for 15 000 år siden og den syvende oppsto for omtrent 8 500 år siden i Syria . I følge denne studien konkluderes det med at, bortsett fra lappene i Nord - Norge og Finland , er resten av den nåværende europeiske befolkningen et resultat av blandingen av disse syv klanene. [ 18 ]
Studier i levende populasjoner gjennom polymorfisme gjør at deres etniske opprinnelse kan spores gjennom morsveien til mDNA. For å studere opprinnelsen til den chilenske befolkningen ble individer fra Arica og av Atacameño-opprinnelse fra San Pedro de Atacama og nærliggende byer valgt ut, og en annen gruppe individer fra Santiago. Forskerne konkluderte med at 84 % av prøvene inneholdt urfolks mitokondrielle haplogrupper, høyere enn estimert fra studier av kjernefysiske sporstoffer. Med andre ord var mors viktigste bidrag til genene til den nåværende befolkningen i Santiago urfolk, mens farsbidraget var europeisk. [ 17 ]
Når det gjelder mumiene som ble funnet nord i Chile, i dalene Azapa, Tarapacá og Camarones i Tarapacá-regionen, gjorde analysen av mitokondrielt DNA det mulig å oppdage opprinnelsen til de gamle innbyggerne i dette området. I 2001 utførte Moraga en amplifikasjon ved hjelp av DNA-polymerase og dens reaksjon ( PCR ) og antok en amasonisk opprinnelse til Andes-populasjonene. [ 19 ]
En annen studie av polymorfisme i befolkningen i Puerto Rico har vist seg å være et verktøy for evolusjonære studier av den genetiske strukturen til befolkningen. [ 20 ]
Det antas at de første menneskene som bebodde øya kom fra Nord-Amerika, sannsynligvis fra Florida, og dannet en primitiv gruppe kjent som arkaikere. Så kom innfødte fra Sør-Amerika, Arawakan. Dette ga opphav til dannelsen av Taino-indianerne rundt 100 år før ankomsten av Columbus, noe som forårsaket utryddelsen av urfolksgruppen.
I en studie ble PCR utført på Puerto Ricans fra samme region. Totalt 266 nukleotidsubstitusjoner fordelt på 84 steder, og 12 enkeltnukleotidendringer fordelt i lengde på 11 steder, ble identifisert. [ 20 ] Det ble funnet at den observerte substitusjonen adlød den forventede trenden mot overgang i stedet for tverrlignende hendelser. Sekvensanalyse avslørte eksistensen av 33 mitokondrielle linjer (mt-linjer) definert av 20 variable posisjoner. Disse 33 mt-linjene viste seg å være gruppert i fire hovedgrupper, som definerte den etniske opprinnelsen til Puerto Ricans. Sekstiåtte prosent av de Puerto Ricanske mt-linjene ble funnet å ligne de sørafrikanske mt-linjene. [ 20 ]
Island var et ubebodd land frem til rundt 870, da de første irske og vikingbosetterne ankom dit . [ 21 ] En studie av tusenvis av mitokondrielle DNA-prøver fra islendinger viste at 37 % var av skandinavisk opprinnelse , mens den resterende prosentandelen tilhørte irske og skotske forfedre . [ 21 ] Haplogruppe C1 , karakteristisk for indianere og noen østasiatiske folk, ble også funnet . [ 21 ] En mulig forklaring er fangsten av indianere av vikingene under deres utforskninger av dette kontinentet, som fortalt i noen sagaer . [ 21 ]
Abujoub, A. (1994) Polymorfisme av den mitokondrielle DNA-kontrollregionen i den Puerto Ricanske befolkningen. Michigan: UMI Dissertation Services.
Moraga, M., Aspillaga E., Santoro C. Standen, V., Carvallo, P. & Rothhammer, F. (2001) Analyse av mitokondrielt DNA i mumier fra Nord-Chile, støtter hypotesen om Amazonas opprinnelse til Andespopulasjoner. Chilensk magasin for naturhistorie, 74, s. 1-5. Doi: 10.4067/S0716-078X2001000300018
Rocco P., Morales C., Moraga M., Miquel J., Nervi F., Llop E., Carvallo P& Rothhammer F. (2001) Genetisk sammensetning av den chilenske befolkningen. Distribusjon av mitokondrielle DNA-polymorfismer i urfolksgrupper og i den blandede befolkningen i Santiago. Medisinsk tidsskrift for Chile, 130, s. 2-4. Doi: 10.4067/S0034-98872002000200001