Митохондриялық ДНҚ

Митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) — эукариоттық жасушалардың органеллалары болып табылатын митохондрияларда (ядролық ДНҚ-дан айырмашылығы) табылған ДНҚ .

Митохондриялық ДНҚ-да кодталған гендер ядродан тыс (хромосоманың сыртында) орналасқан плазмагендер тобына жатады. Жасушаның цитоплазмасында шоғырланған осы тұқым қуалаушылық факторларының жиынтығы организмнің берілген түрінің плазмоны (геномынан айырмашылығы) құрайды.Джинкс Д., Нехромосомная наследственность, пер. с англ., М., 1966; Сэджер Р., Гены вне хромосом, в кн.: Молекулы и клетки, пер. с англ., М., 1966.

 Ашылу тарихы 
Митохондриялық ДНҚ-ны 1963 жылы Стокгольм университетінде Маргит Насс пен Сильвен Насс электронды микроскопия көмегімен  және тәуелсіз ғалымдар Эллен Харлсбруннер, Ганс Туппи және Готфрид Шац университетте ашытқы митохондриялық фракцияларының биохимиялық талдауында ашты. 1964 жылы.Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna, Австрия): «Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria» (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127—132.

 Митохондриялық ДНҚ-ның шығу тегі туралы теориялар 
Эндосимбиотикалық теорияға сәйкес, митохондриялық ДНҚ бактериялардың дөңгелек ДНҚ молекулаларынан пайда болды, сондықтан ядролық геномнан басқа шығу тегі бар. Енді митохондриялар монофилиялық текті, яғни оларды эукариоттардың ата-бабалары бір рет қана алған деген көзқарас басым.

ДНҚ нуклеотидтер тізбегінің ұқсастығына сүйене отырып, тірі прокариоттардың ішіндегі митохондриялардың ең жақын туыстары альфа-протеобактериялар болып табылады (атап айтқанда, риккетсиялар митохондрияларға жақын деген болжам жасалды). Митохондриялық геномдарды салыстырмалы талдау эволюция барысында қазіргі митохондриялардың ата-бабаларының гендерінің жасуша ядросына біртіндеп ауысқанын көрсетеді. Митохондриялық ДНҚ-ның кейбір ерекшеліктері эволюциялық тұрғыдан түсіндірілмеген күйінде қалады (мысалы, интрондардың едәуір көп саны, триплеттердің дәстүрлі емес қолданылуы және т.б.). Митохондриялық геномның өлшемі шектеулі болғандықтан, митохондриялық ақуыздардың көпшілігі ядрода кодталады. Сонымен қатар митохондриялық тРНҚ-ның көпшілігі митохондриялық геноммен кодталады.

 Митохондриялық ДНҚ молекулаларының пішіні мен саны 
link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/18/Electron_microscopy_reveals_mitochondrial_DNA_in_discrete_foci.jpg/300px-Electron_microscopy_reveals_mitochondrial_DNA_in_discrete_foci.jpg|нобай|388x388 нүкте| Электрондық микроскопия адам митохондрияларында mtDNA-ның нақты орнын көрсетеді. Ажыратымдылық 200 нм. (A) Алтын бөлшектермен mtDNA бояғаннан кейін цитоплазма арқылы кесінді. B) Экстракциядан кейінгі цитоплазма; Алтын бөлшектерімен байланысты mtDNA орнында қалды. Iborra et al., 2004. 
Зерттелетін организмдердің көпшілігінде митохондрияларда тек қана дөңгелек ДНҚ молекулалары болады, кейбір өсімдіктерде дөңгелек және сызықты молекулалар бір уақытта болады, ал бірқатар протисталарда (мысалы, кірпікшелілер ) тек сызықты молекулалар болады.

Сүтқоректілердің митохондрияларында әдетте дөңгелек ДНҚ молекулаларының екі-он бірдей көшірмесі болады. 

Өсімдіктерде әрбір митохондрияда рекомбинацияға қабілетті әртүрлі мөлшердегі бірнеше ДНҚ молекулалары болады.

Кинетопласидтік қатардағы протисталарда (мысалы, трипаносомаларда) митохондриялардың арнайы бөлімінде (кинетопласт) ДНҚ молекулаларының екі түрі бар - ұзындығы шамамен 21 кб бірдей макси-сақиналар (20-50 дана). және шағын сақиналар (20 000-55 000 дана, 300-ге жуық сорттар, орташа ұзындығы шамамен 1000 б.б.). Барлық сақиналар бір желіге қосылады (катенендер), ол әрбір репликация циклімен жойылады және қалпына келеді. Максималды сақиналар басқа организмдердің митохондриялық ДНҚ-сына гомолог болып табылады. Әрбір шағын сақина төрт ұқсас сақталған аймақты және төрт бірегей гиперайнымалы аймақты қамтиды. Қысқа бағыттаушы РНҚ молекулалары (гидРНҚ) шағын шеңберлерде кодталған, олар жоғарғы шеңберлердің гендерінен транскрипцияланған РНҚ өңдейді.

 Митохондриялық ДНҚ тұрақтылығы 
Митохондриялық ДНҚ тыныс алу тізбегі тудыратын реактивті оттегі түрлеріне олардың жақын орналасуына байланысты ерекше сезімтал. Митохондриялық ДНҚ белоктармен байланысқанымен, ядролық ДНҚ-ға қарағанда олардың қорғаныш рөлі азырақ. Мутациялар митохондриялық ДНҚ тудыруы мүмкін ана арқылы берілетін тұқым қуалайтын аурулар . Сондай-ақ митохондриялық ДНҚ мутациясының қартаю процесіне және жасқа байланысты патологиялардың дамуына ықтимал үлесін көрсететін деректер бар. Адамдарда митохондриялық ДНҚ әдетте әр жасушада 100-10 000 көшірмеде болады (сперматозоидтар мен жұмыртқалар ерекшелік болып табылады). Митохондриялық геномдардың көптігі митохондриялық аурулардың көріну ерекшеліктерімен байланысты - әдетте олардың кеш басталуы және өте өзгермелі белгілері.

 Митохондриялық тұқым қуалаушылық 

 Аналық мұрагерлік 
Көп жасушалы организмдердің көпшілігінде митохондриялық ДНҚ анадан тұқым қуалайды. Жұмыртқада сперматозоидқа қарағанда митохондриялық ДНҚ-ның бірнеше рет көп көшірмелері бар. Сперматозоидта әдетте оннан аспайтын митохондрия (адамда бір спираль тәрізді бұралған митохондрия), ұсақ теңіз кірпі жұмыртқаларында – бірнеше жүз мың, ал ірі бақа жұмыртқаларында – ондаған миллион болады. Сонымен қатар, ұрық митохондриялары әдетте ұрықтанғаннан кейін деградацияға ұшырайды.

Жыныстық көбею кезінде митохондриялар әдетте аналық жолмен ғана тұқым қуалайды, ұрық митохондриялары әдетте ұрықтанғаннан кейін жойылады. Сонымен қатар, сперматозоидтардың митохондрияларының көп бөлігі ұрықтандыру кезінде кейде жоғалып кететін жікшенің негізінде орналасқан. 1999 жылы сперматозоидтардың митохондриялары убиквитинмен (зиготадағы аталық митохондриялардың бұзылуына әкелетін белгі белок) таңбаланғаны анықталды.

Митохондриялық ДНҚ жоғары деңгейде сақталмағандықтан және мутация жылдамдығы жоғары, ол тірі организмдердің филогенезін (эволюциялық қатынасын) зерттеу үшін жақсы объект болып табылады. Ол үшін әртүрлі түрлердегі митохондриялық ДНҚ реттілігі арнайы компьютерлік бағдарламалардың көмегімен анықталып, салыстырылады және зерттелетін түрге эволюциялық ағаш алынады. Иттердің митохондриялық ДНҚ-сын зерттеу иттердің шығу тегін жабайы қасқырлардан анықтауға мүмкіндік берді. Адам популяцияларындағы митохондриялық ДНҚ-ны зерттеу қазіргі уақытта өмір сүретін барлық адамдардың гипотетикалық тегі « митохондриялық Хауаны » есептеуге мүмкіндік берді.

Әкелік мұрагерлік

Кейбір түрлер үшін митохондриялық ДНҚ-ның аталық линия арқылы берілуі, мысалы, мидияларда көрсетілген. Дрозофила бал аралары және цикадалар сияқты кейбір жәндіктер үшін де митохондриялардың аталық тұқым қуалауы сипатталған.

Сондай-ақ сүтқоректілердің митохондриялық аталық тұқым қуалауының дәлелі бар. Тышқандар үшін мұндай тұқым қуалаушылық жағдайлары сипатталған, сонымен бірге аталықтан алынған митохондриялар кейіннен қабылданбайды. Бұл құбылыс қой және клондалған ірі қара мал үшін көрсетілді.

 Адамдардағы әкелік тұқым қуалаушылық 
Соңғы уақытқа дейін адамның митохондриялары тек аналық тегі арқылы тұқым қуалайды деп есептелді. 2002 жылы аталық митохондриялық ДНҚ сенімді түрде анықталған науқастың бір ғана белгілі жағдайы болды.

Тек жақында 2018 жылы жүргізілген зерттеу адамның митохондриялық ДНҚ-сы кейде әлі де әкелік жолмен берілуі мүмкін екенін көрсетті. Аталық митохондриялардың аз мөлшері аналық жұмыртқаға сперматозоид цитоплазмасымен бірге ене алады, бірақ, әдетте, аталық митохондриялар содан кейін зиготадан жоғалады. Дегенмен, кейбір адамдарда «әкесінің митохондрияларының аман қалуына көмектесетін мутация» бар екені анықталды.

 Митохондриялық геном 
Сүтқоректілерде әрбір mtDNA молекуласында 15000-17000 негіз жұбы (адамда 16565 негізгі жұп – зерттеу 1981 жылы аяқталдыАйала Ф. Д. Современная генетика. 1987., басқа дереккөз бойынша 16569 негізгі жұп) және құрамында 37 ген бар – Даниленко Н. Г., Давыденко О.Г — Миры геномов органелл 13 кодтаушы ақуыздар.Даниленко Н. Г., Давыденко О.Г — Миры геномов органелл 22 - тРНҚ гендер, 2 - рРНҚ (12S және 16S рРНҚ үшін бір ген). Басқа көп жасушалы жануарларда митохондриялық гендердің ұқсас жиынтығы бар, дегенмен кейбір гендер кейде болмауы мүмкін. Әртүрлі өсімдік түрлерінің, саңырауқұлақтардың және әсіресе протистердің  mtDNA гендік құрамы айтарлықтай ерекшеленеді. Осылайша, белгілі митохондриялық геномдардың ең толықсы Якобид жгутяты Reclinomonas americana табылды: оның құрамында 97 ген бар, оның ішінде белоктарды кодтайтын 62 ген (27 рибосомалық белок, 23 электрон тасымалдау тізбегінің жұмысына және тотығу, фосфорлануға қатысатын ақуыз) сондай-ақ РНҚ-полимеразаның суббірліктері).

Ең кішкентай митохондриялық геномдардың бірінде безгек плазмодийі бар (шамамен 6000 бит). o., құрамында екі рРНҚ гені және үш белокты кодтайтын ген бар).

Кейбір протистердің (амеба дизентериясы, микроспоридиялар және лямблиялар) жақында ашылған вестигиальды митохондрияларында (митосомалар) ДНҚ жоқ.

Саңырауқұлақтардың әртүрлі түрлерінің митохондриялық геномдарында 19431 (бөліну ашытқысы Schizosaccharomyces pombe) бастап 100314 (sordariomycete Podospora anserina) жұптары бар  .

Кейбір өсімдіктерде үлкен митохондриялық ДНҚ молекулалары (25 миллион негізгі жұпқа дейін) бар, оларда шамамен бірдей гендер және кіші mtDNA мөлшері бар. Митохондриялық ДНҚ ұзындығы тіпті бір тұқымдас өсімдіктерде де әртүрлі болуы мүмкін. Өсімдік митохондриялық ДНҚ кодталмаған қайталанатын тізбектерді қамтиды.

Адам геномында әрбір комплементарлы ДНҚ тізбегі үшін бір ғана промотор бар.Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.

Адамның митохондриялық геномы келесі белоктар мен РНҚ-ны кодтайды:
Белоктар немесе РНҚ Гендер NADH дегидрогеназа 
(I Кешен) MT -ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6 Коэнзим Q - цитохром с редуктаза/цитохром b(III Кешен) MT-CYB цитохром с оксидаза(IV Кешен) MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3 ATP синтазасы MT-ATP6, MT-ATP8 рРНҚ MT-RNR1 (12S), MT- RNR2 (16S) тРНҚ MT-TA, MT-TC, MT-TD, MT-TE, MT-TF, MT-TG, MT-TH, MT-TI, MT-TK, MT-TL1, MT-TL2, MT-TM, MT- TN, MT-TP, MT-TQ, MT-TR, MT -TS1, MT-TS2, MT-TT, MT-TV, MT-TW, MT-TY, MT1X

 Митохондриялық ДНҚ-ның ерекшеліктері 
Митохондриялық геномның кодтау тізбегінің (кодондардың) әмбебап ядролық ДНҚ кодтау тізбегінен кейбір айырмашылықтары бар.

Осылайша, AUA кодоны митохондриялық геномдағы метионинді кодтайды (ядролық ДНҚ-дағы изолейциннің орнына), AGA және AGG кодондары терминатор кодондары (ядролық ДНҚ-да аргининді кодтайды), митохондриялық геномдағы UGA кодоныАйала Ф. Д. Современная генетика. 1987. триптопанды кодтайды.

Дәлірек айтсақ, біз митохондриялық ДНҚ туралы емес, ақуыз синтезі басталғанға дейін осы ДНҚ-дан шығарылатын (транскрипцияланған) мРНҚ туралы айтып отырмыз. Кодон белгілеуіндегі U ген РНҚ-ға транскрипцияланған кезде тиминді алмастыратын урацилді білдіреді.

тРНҚ гендерінің саны (22 ген) 32 тРНҚ гендері бар ядролық геномға қарағанда аз.Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.

Адамның митохондриялық геномында ақпараттың шоғырланғандығы соншалық, әдетте, 3'-терминатор кодондарына сәйкес келетін нуклеотидтер мРНҚ-кодтау тізбектерінде ішінара жойылады.Айала Ф. Д. Современная генетика. 1987.

 Қолдану 
Әртүрлі филогенетикалық теорияларды құруда қолданудан басқа, митохондриялық геномды зерттеу идентификацияның негізгі құралы болып табылады. Сәйкестендіру мүмкіндігі адамның митохондриялық геномында бар топтық және тіпті жеке айырмашылықтармен байланысты.

Митохондриялық ДНҚ-да кодталған цитохром с оксидаза суббірлігі I ген аймағының тізбегі жануарлардың ДНҚ штрих-кодтауымен байланысты жобаларда кеңінен қолданылады, яғни организмнің ДНҚ-дағы қысқа маркерлер негізінде белгілі бір таксонға жататынын анықтау.  Өсімдіктерді штрих-кодтау үшін негізінен пластидтік ДНҚ-дағы екі маркердің комбинациясы қолданылады.

Орегон университетінің эмбриондық жасушалар және гендік терапия орталығындағы Шухрат Миталиповтың тобы тұқым қуалайтын митохондриялық ауруларды емдеу үшін митохондриялық ДНҚ ауыстыру әдісін ойлап тапты. Қазір Ұлыбританияда бұл әдістің клиникалық сынақтары басталды, олар «3-ата-аналық нәресте техникасы» - «үш ата-анадан шыққан бала» бейресми атауын алды. Бұл процедураның нәтижесінде Мексикада баланың дүниеге келгені туралы да белгілі.

 Тағы қараңыз 
 Митохондриялық аурулар

 Дереккөздер 

 Сыртқы сілтемелер 
 Митомап – адамның митохондриялық геномының мәліметтер базасы
 Адам mtDNA  - адам mtDNA толық реттілігінің деректер базасы
 Филотри М. Ван Овен және М. Кайзер
 Митохондриялық ДНҚ: ұмтылатын молекулалық генеалогқа арналған нұсқаулық 

Санат:ДНҚ
Санат:Митохондрия