حول حواء الميتوكوندريا والتنوع الجيني للإنسانية الحديثة. علم وراثة الميتوكوندريا البشرية كم عدد البروتينات التي يتم تشفيرها بواسطة جينومات الميتوكوندريا الحديثة

الأصل، أي أنه تم الحصول عليها من قبل أسلاف حقيقيات النوى مرة واحدة فقط.

بناءً على التشابه في تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي، تعتبر بكتيريا ألفا البروتينية أقرب أقرباء الميتوكوندريا بين بدائيات النوى الحية (على وجه الخصوص، تم الافتراض بأن الريكتسيا قريبة من الميتوكوندريا). يُظهر التحليل المقارن لجينومات الميتوكوندريا أنه أثناء التطور، انتقلت جينات أسلاف الميتوكوندريا الحديثة تدريجيًا إلى نواة الخلية. تظل بعض سمات الحمض النووي للميتوكوندريا غير قابلة للتفسير من وجهة نظر تطورية (على سبيل المثال، عدد كبير إلى حد ما من الإنترونات، والاستخدام غير التقليدي للثلاثية التوائم، وغيرها). نظرًا للحجم المحدود لجينوم الميتوكوندريا، يتم تشفير معظم بروتينات الميتوكوندريا في النواة. علاوة على ذلك، فإن معظم جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل للميتوكوندريا يتم تشفيرها بواسطة جينوم الميتوكوندريا.

أشكال وعدد جزيئات DNA الميتوكوندريا

في معظم الكائنات التي تمت دراستها، تحتوي الميتوكوندريا فقط على جزيئات الحمض النووي الدائرية؛ وفي بعض النباتات توجد جزيئات دائرية وخطية في وقت واحد، وفي عدد من الطلائعيات (على سبيل المثال، الهدبيات) لا توجد سوى جزيئات خطية.

في النباتات، تحتوي كل ميتوكوندريا على عدة جزيئات DNA مقاسات مختلفة، والتي هي قادرة على إعادة التركيب.

أثناء التكاثر الجنسي، عادة ما يتم توريث الميتوكوندريا حصريًا من خلال خط الأم، وعادةً ما يتم تدمير ميتوكوندريا الحيوانات المنوية بعد الإخصاب. بالإضافة إلى ذلك، فإن معظم الميتوكوندريا الموجودة في الحيوانات المنوية تقع في قاعدة السوط، والتي تُفقد أحيانًا أثناء الإخصاب. في عام 1999، تم اكتشاف أن ميتوكوندريا الحيوانات المنوية تتميز باليوبيكويتين (بروتين يسبب تدمير الميتوكوندريا الأبوية في الزيجوت).

نظرًا لأن الحمض النووي للميتوكوندريا لا يتم حفظه بشكل كبير ولديه معدل طفرة مرتفع، فهو كائن جيد لدراسة السلالة (الصلة التطورية) للكائنات الحية. للقيام بذلك، تسلسل الحمض النووي للميتوكوندريا أنواع مختلفةومقارنتها باستخدام خاص برامج الحاسوبوالحصول على شجرة تطورية للأنواع المدروسة. لقد تتبعت الأبحاث التي أجريت على الحمض النووي للميتوكوندريا للكلاب أصل الكلاب إلى الذئاب البرية. أدت الأبحاث التي أجريت على الحمض النووي للميتوكوندريا في المجتمعات البشرية إلى التعرف على "حواء الميتوكوندريا"، الجد الافتراضي لجميع البشر الذين يعيشون حاليًا.

الميراث الأبوي

بالنسبة لبعض الأنواع، تم إثبات انتقال الحمض النووي للميتوكوندريا عبر الخط الذكري، كما هو الحال في بلح البحر. كما تم وصف وراثة الميتوكوندريا من الأب في بعض الحشرات، مثل ذبابة الفاكهة، ونحل العسل، والزيز.

هناك أيضًا دليل على وراثة الميتوكوندريا من خلال خط الذكور في الثدييات. تم وصف حالات مثل هذا الوراثة في الفئران، حيث يتم رفض الميتوكوندريا التي تم الحصول عليها من الذكر لاحقًا. وقد ظهرت هذه الظاهرة بالنسبة للأغنام والأبقار المستنسخة.

وراثة الأب في الإنسان

حتى وقت قريب، كان يعتقد أن الميتوكوندريا البشرية تورث فقط من خلال خط الأم. كانت هناك حالة واحدة معروفة فقط لمريض تم اكتشاف الحمض النووي للميتوكوندريا فيه بشكل موثوق في عام 2002.

أظهرت دراسة حديثة فقط في عام 2018 أن الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية لا يزال من الممكن أن ينتقل في بعض الأحيان عبر خط الأب. يمكن لكمية صغيرة من ميتوكوندريا الأب أن تدخل بويضة الأم مع سيتوبلازم الحيوانات المنوية، ولكن كقاعدة عامة، تختفي ميتوكوندريا الأب من الزيجوت. ومع ذلك، فقد تم اكتشاف أن بعض الأشخاص لديهم "طفرة تساعد الميتوكوندريا الخاصة بالأب على البقاء".

جينوم الميتوكوندريا

في الثدييات، يحتوي كل جزيء mtDNA على 15000-17000 زوج قاعدي (في البشر 16565 زوجًا من النيوكليوتيدات - اكتملت الدراسة في عام 1981، وفقًا لمصدر آخر 16569 زوجًا) ويحتوي على 37 جينًا - 13 بروتينًا مشفرًا، 22 - جينات tRNA، 2 - rRNA (واحد لكل جين لـ 12S و16S rRNA). تمتلك الكائنات الميتازوانية الأخرى مجموعة مماثلة من جينات الميتوكوندريا، على الرغم من أن بعض الجينات قد تكون مفقودة في بعض الأحيان. يختلف التركيب الجيني لـ mtDNA لأنواع مختلفة من النباتات والفطريات وخاصة الطلائعيات بشكل كبير. وهكذا، في سوط جاكوبيدا ريكلينوموناس أمريكاناتم العثور على جينوم الميتوكوندريا الأكثر اكتمالا: فهو يحتوي على 97 جينًا، بما في ذلك 62 جينًا يشفر البروتينات (27 بروتينًا ريبوسوميًا، و23 بروتينًا مشاركًا في سلسلة نقل الإلكترون والفسفرة التأكسدية، بالإضافة إلى وحدات بوليميراز الحمض النووي الريبي).

تحتوي المتصورة المنجلية على واحد من أصغر جينومات الميتوكوندريا (حوالي 6000 سنة مضت، وتحتوي على جينين من الرنا الريباسي وثلاثة جينات لترميز البروتين).

الميتوكوندريا البدائية (الميتوزومات) التي تم اكتشافها مؤخرًا لبعض الأولانيات (الأميبا الزحارية، والميكروسبوريديا، والجيارديا) لا تحتوي على الحمض النووي.

جينومات الميتوكوندريا أنواع مختلفةيحتوي الفطر على 19,431 (خميرة انشطارية شيزوساكاروميسس بومبي) ما يصل إلى 100314 (sordariomycete بودوسبورا أنسيرينا) أزواج النيوكليوتيدات.

تحتوي بعض النباتات على جزيئات ضخمة من الحمض النووي للميتوكوندريا (تصل إلى 25 مليون زوج قاعدي)، تحتوي تقريبًا على نفس الجينات وبنفس الكمية الموجودة في الحمض النووي للميتوكوندريا الأصغر. يمكن أن يختلف طول الحمض النووي للميتوكوندريا بشكل كبير حتى بين النباتات من نفس العائلة. يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا النباتية على تسلسلات متكررة غير مشفرة.

يحتوي الجينوم البشري على محفز واحد فقط لكل شريط مكمل من الحمض النووي.

يقوم جينوم الميتوكوندريا البشري بتشفير البروتينات والحمض النووي الريبوزي (RNA) التاليين:

البروتينات أو الحمض النووي الريبي	الجينات
NADH ديهيدروجينيز (المعقد الأول)	MT-ND1، MT-ND2، MT-ND3، MT-ND4، MT-ND4L، MT-ND5، MT-ND6
الإنزيم المساعد Q - السيتوكروم ج المختزل / السيتوكروم ب (المجمع الثالث)	MT-CYB
السيتوكروم ج أوكسيديز (المعقد الرابع)	MT-CO1، MT-CO2، MT-CO3
سينسيز ATP	MT-ATP6، MT-ATP8
الرنا الريباسي	MT-RNR1 (12S)، MT-RNR2 (16S)
الحمض الريبي النووي النقال	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- تن، MT-TP، MT-TQ، MT-TR، MT-TS1، MT-TS2، MT-TT، MT-TV، MT-TW، MT-TY، MT1X

ملامح الحمض النووي الميتوكوندريا

تسلسلات الترميز (الكودونات) لجينوم الميتوكوندريا لها بعض الاختلافات عن تسلسلات الترميز للحمض النووي العالمي.

وبالتالي، فإن كودون AUA يشفر الميثيونين في جينوم الميتوكوندريا (بدلاً من الأيسولوسين في الحمض النووي النووي)، وكودون AGA وAGG عبارة عن كودونات فاصلة (في الحمض النووي النووي يقومون بتشفير الأرجينين)، وكودون UGA في جينوم الميتوكوندريا يشفر التربتوفان.

لكي نكون أكثر دقة، نحن لا نتحدث عن الحمض النووي للميتوكوندريا، ولكن عن mRNA، الذي يتم نسخه (نسخه) من هذا الحمض النووي قبل بدء تخليق البروتين. الحرف U في تسمية الكودون يرمز إلى اليوريدين، الذي يحل محل الثيمين عندما يتم نسخ الجين إلى الحمض النووي الريبي (RNA).

عدد جينات الحمض الريبي النووي النقال (22 جينًا) أقل من عدد الجينوم النووي الذي يحتوي على 32 جينًا من الحمض الريبي النووي النقال.

في جينوم الميتوكوندريا البشرية، تتركز المعلومات بشكل كبير، كقاعدة عامة، تتم إزالة النيوكليوتيدات المقابلة لكودونات التوقف الطرفية 3 بوصة جزئيًا من التسلسلات المشفرة للmRNA.

طلب

بالإضافة إلى استخدامها في بناء نظريات النشوء والتطور المختلفة، فإن دراسة جينوم الميتوكوندريا هي الأداة الرئيسية في تحديد الهوية. ترتبط إمكانية تحديد الهوية بالاختلافات الجماعية وحتى الفردية الموجودة في جينوم الميتوكوندريا البشري.

يُستخدم تسلسل المنطقة الجينية للوحدة الفرعية الأولى من السيتوكروم سي أوكسيديز، المشفرة في الحمض النووي للميتوكوندريا، على نطاق واسع في المشاريع المتعلقة بتشفير الحمض النووي للحيوانات - تحديد ما إذا كان الكائن الحي ينتمي إلى تصنيف معين بناءً على علامات قصيرة في الحمض النووي الخاص به. بالنسبة للترميز الشريطي للنبات، يُستخدم في الغالب مزيج من علامتين في الحمض النووي البلاستيدي.

قامت مجموعة شوخرات ميتاليبوف في مركز الخلايا الجنينية والعلاج الجيني بجامعة أوريغون بتطوير طريقة لاستبدال الحمض النووي للميتوكوندريا لعلاج أمراض الميتوكوندريا الموروثة. بدأت الآن التجارب السريرية لهذه الطريقة، والتي حصلت على الاسم غير الرسمي "تقنية الطفل ثلاثي الوالدين" - "طفل من ثلاثة آباء"، في المملكة المتحدة. ومن المعروف أيضًا أنه نتيجة لهذا الإجراء ولد طفل في المكسيك.

ملحوظات

1. جينكس د.، الوراثة غير الصبغية، العابرة. من الإنجليزية، م.، 1966؛ صقر ر.، الجينات خارج الكروموسومات، في كتاب: الجزيئات والخلايا، ترانس. من الإنجليزية، م، 1966.
2. ناس، م.م. & ناس، س. (1963 في معهد فينر-جرين للبيولوجيا التجريبية، جامعة ستوكهولم، ستوكهولم، السويد): ألياف داخل الميتوكوندريا مع خصائص الحمض النووي(بي دي إف). في: خلية J. بيول.دينار بحريني. 19، ص 593-629. بميد 14086138
3. إلين هاسلبرونر، وهانز توبي، وجوتفريد شاتز (1964 في معهد الكيمياء الحيوية بكلية الطب بجامعة فيينا في فيينا، النمسا): "الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين المرتبط بالميتوكوندريا في الخميرة"(PDF) الكيمياء الحيوية. بيوفيس. الدقة. مشترك. 15، 127-132.
4. إيبورا إف جيه، كيمورا إتش، كوك بي آر.التنظيم الوظيفي لجينومات الميتوكوندريا في الخلايا البشرية // BMC Biol. (إنجليزي)الروسية: مجلة. - 2004. - المجلد. 2. - ص 9. - DOI:10.1186/1741-7007-2-9. - بميد 15157274.
5. Dymshits G. M. مفاجآت جينوم الميتوكوندريا. الطبيعة، 2002، العدد 6
6. ويزنر آر جيه، روج جيه ​​سي، مورانو آي.حساب الجزيئات المستهدفة عن طريق تفاعل البوليميراز المتسلسل الأسي، عدد نسخ الحمض النووي للميتوكوندريا في أنسجة الفئران (الإنجليزية) // Biochim Biophys Acta. (إنجليزي)الروسية: مجلة. - 1992. - المجلد. 183. - ص553-559. - بميد 1550563.
7. دوى:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (الرابط غير متوفر)
8. أليكسييف، ميخائيل ف. ليدوكس، سوزان ب. ويلسون، جلين ل.الحمض النووي للميتوكوندريا والشيخوخة (غير محدد) // العلوم السريرية. - 2004. - يوليو (المجلد 107 العدد 4). - ص 355-364. - DOI:10.1042/CS20040148. - بميد 15279618.
9. تشينتسوف يو إس.علم الخلايا العام. - الطبعة الثالثة. - جامعة موسكو الحكومية 1995. - 384 ص. - ردمك 5-211-03055-9.
10. سوتوفسكي، P.، وآخرون. آل.علامة يوبيكويتين للميتوكوندريا الحيوانات المنوية // الطبيعة. - نوفمبر. 25، 1999. - المجلد. 402. - ص371-372. - دوى:10.1038/46466. - بميد 10586873.ناقش في
11. فيلا سي.، سافولاينين ​​بي.، مالدونادو جي. إي.، و أمورين آي. آر.الأصول المتعددة والقديمة للكلب المنزلي (إنجليزي) // العلوم: مجلة. - 1997. - 13 يونيو (المجلد 276). - ص 1687-1689. - ISSN 0036-8075. - DOI:10.1126/science.276.5319.1687. - بميد 9180076.
12. هويه دبليو آر، بلاكلي كيه إتش، براون دبليو إم.يقترح التغاير الميراث الميراث الثنائي المحدود للحمض النووي الميتوكوندريا Mytilus (الإنجليزية) // العلوم: مجلة. - 1991. - المجلد. 251. - ص 1488-1490. - DOI:10.1126/science.1672472. - بميد 1672472.
13. بنمان، داني. يمكن وراثة الميتوكوندريا من كلا الوالدين، نيوساينتست.كوم(23 أغسطس 2002). تم استرجاعه في 5 فبراير 2008.
14. كوندو آر، ماتسورا إي تي، تشيجوسا إس آي.مزيد من المراقبة لانتقال الحمض النووي للميتوكوندريا من الأب بواسطة طريقة التضخيم الانتقائي PCR (الإنجليزية) // جينيت. الدقة. (إنجليزي)الروسية: مجلة. - 1992. - المجلد. 59، لا. 2. - ص 81-4. - بميد 1628820.
15. موسيل إم إس، موريتز آر إف.نقل الحمض النووي الأبوي للميتوكوندريا أثناء إخصاب بيض نحل العسل (Apis mellifera L.) (الإنجليزية) // Curr. جينيت. : مجلة. - 1993. - المجلد. 24، لا. 6. - ص539-543. - دوي:10.1007/BF00351719. - بميد 8299176.
16. فونتين، K. M.، كولي، J. R.، سيمون، C.دليل على التسرب الأبوي في الزيز الدورية الهجينة (Hemiptera: Magicicada spp.) (الإسبانية) // PLoS One. : يوميات. - 2007. - المجلد 9. - ص e892. - DOI:10.1371/journal.pone.0000892.
17. جيلينستن يو.، وارتون د.، جوزيفسون أ.، ويلسون أ. سي.وراثة الأب من الحمض النووي الميتوكوندريا في الفئران (الإنجليزية) // الطبيعة. - 1991. - المجلد. 352، لا. 6332. - ص255-257. - DOI:10.1038/352255a0. - بميد 1857422.
18. شيتارا إتش، هاياشي جي آي، تاكاهاما إس، كانيدا إتش، يونيكاوا إتش.وراثة الأم لـ mtDNA للفأر في الهجينة بين الأنواع: فصل DNA mtDNA الأبوي المتسرب متبوعًا بالوقاية من التسرب الأبوي اللاحق // علم الوراثة: مجلة. - 1998. - المجلد. 148، لا. 2. - ص 851-857. - بميد 9504930.

ما هو الحمض النووي الميتوكوندريا؟

الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) هو الحمض النووي الموجود في الميتوكوندريا، وهي عضيات خلوية داخل الخلايا حقيقية النواة التي تحول الطاقة الكيميائية من الغذاء إلى شكل يمكن للخلايا استخدامه - أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). لا يمثل الحمض النووي للميتوكوندريا سوى جزء صغير من الحمض النووي في الخلية حقيقية النواة؛ يمكن العثور على معظم الحمض النووي في نواة الخلية، وفي النباتات والطحالب، وفي البلاستيدات مثل البلاستيدات الخضراء.

في البشر، يقوم 16.569 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي للميتوكوندريا بتشفير 37 جينًا فقط. كان الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية أول جزء مهم من الجينوم البشري يتم تسلسله. في معظم الأنواع، بما في ذلك البشر، يتم توريث الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم فقط.

ولأن الحمض النووي للميتوكوندريا الحيواني يتطور بشكل أسرع من العلامات الوراثية النووية، فإنه يمثل أساس علم الوراثة والبيولوجيا التطورية. لقد أصبحت هذه نقطة مهمة في الأنثروبولوجيا والجغرافيا الحيوية، لأنها تسمح للمرء بدراسة العلاقات المتبادلة بين السكان.

فرضيات حول أصل الميتوكوندريا

يُعتقد أن الحمض النووي والميتوكوندريا لهما أصول تطورية مختلفة، حيث أن الحمض النووي الميتوكوندري مشتق من الجينوم الدائري للبكتيريا التي امتصها الأسلاف الأوائل للخلايا حقيقية النواة الحديثة. وتسمى هذه النظرية نظرية التعايش الداخلي. تشير التقديرات إلى أن كل ميتوكوندريا تحتوي على نسخ من 2-10 mtDNA. في خلايا الكائنات الحية، يتم تشفير الغالبية العظمى من البروتينات الموجودة في الميتوكوندريا (التي يبلغ عددها حوالي 1500 نوع مختلف في الثدييات) بواسطة الحمض النووي النووي، ولكن يُعتقد أن جينات بعض هذه البروتينات، إن لم يكن معظمها، هي في الأصل بكتيرية و ومنذ ذلك الحين تم نقلها إلى نواة حقيقية النواة أثناء التطور.

وتناقش أسباب احتفاظ الميتوكوندريا بجينات معينة. يشير وجود عضيات خالية من الجينوم في بعض الأنواع ذات أصل الميتوكوندريا إلى إمكانية فقدان الجينات بالكامل، كما أن نقل جينات الميتوكوندريا إلى النواة له عدد من المزايا. إن صعوبة توجيه منتجات البروتين الكارهة للماء المنتجة عن بعد في الميتوكوندريا هي إحدى الفرضيات التي تفسر سبب الاحتفاظ ببعض الجينات في الحمض النووي للميتوكوندريا. يعد التوطين المشترك لتنظيم الأكسدة والاختزال نظرية أخرى، تشير إلى استصواب التحكم الموضعي في آلات الميتوكوندريا. يشير التحليل الأخير لمجموعة واسعة من جينومات الميتوكوندريا إلى أن هاتين الوظيفتين قد تملي الاحتفاظ بجينات الميتوكوندريا.

الفحص الجيني للmtDNA

في معظم الكائنات متعددة الخلايا، يتم توريث الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم (النسب الأمومي). تشمل آليات ذلك التخفيف البسيط (تحتوي البويضة على 200.000 جزيء من الحمض النووي الميتوكوندري في المتوسط، في حين تحتوي الحيوانات المنوية البشرية السليمة على 5 جزيئات في المتوسط)، وتحلل الحمض النووي الميتوكوندري للحيوانات المنوية في الجهاز التناسلي الذكري، وفي البويضة المخصبة، وعلى الأقل في عدد قليل من الكائنات الحية، فشل الحمض النووي الميتوكوندري للحيوانات المنوية في اختراق البويضة. ومهما كانت الآلية، فهي وراثة أحادية القطب - وراثة الحمض النووي الميتوكوندري، والتي تحدث في معظم الحيوانات والنباتات والفطريات.

ميراث الأم

في التكاثر الجنسي، عادةً ما يتم توريث الميتوكوندريا حصريًا من الأم؛ عادةً ما يتم تدمير الميتوكوندريا الموجودة في الحيوانات المنوية لدى الثدييات بواسطة البويضة بعد الإخصاب. بالإضافة إلى ذلك، تتواجد معظم الميتوكوندريا في قاعدة ذيل الحيوان المنوي، والذي يستخدم لحركة الخلايا المنوية؛ في بعض الأحيان يتم فقدان الذيل أثناء الإخصاب. في عام 1999، تم الإبلاغ عن أن ميتوكوندريا الحيوانات المنوية الأبوية (التي تحتوي على الحمض النووي الميتوكوندري) تتميز باليوبيكويتين لتدميرها لاحقًا داخل الجنين. قد تتداخل بعض طرق التخصيب في المختبر، وخاصة حقن الحيوانات المنوية في البويضة، مع هذا الأمر.

حقيقة أن الحمض النووي للميتوكوندريا يتم توريثه من خلال خط الأم يسمح للباحثين في علم الأنساب بتتبع خط الأم في وقت بعيد. (يتم توريث الحمض النووي الصبغي Y من الأب، ويستخدم بطريقة مماثلة لتحديد التاريخ الأبوي.) ويتم ذلك عادةً على الحمض النووي للميتوكوندريا للشخص عن طريق تسلسل منطقة التحكم شديدة التغير (HVR1 أو HVR2)، وأحيانًا جزيء الحمض النووي للميتوكوندريا بأكمله كتسلسل. اختبار علم الأنساب DNA. على سبيل المثال، يتكون HVR1 من حوالي 440 زوجًا أساسيًا. تتم بعد ذلك مقارنة هذه الأزواج الـ 440 بمناطق التحكم الخاصة بأفراد آخرين (أو أفراد محددين أو موضوعات محددة في قاعدة البيانات) لتحديد نسب الأمهات. المقارنة الأكثر شيوعًا هي مع تسلسل كامبريدج المرجعي المنقح. فيلا وآخرون. دراسات منشورة عن التشابه الأمومي بين الكلاب الأليفة والذئاب. يعتمد مفهوم حواء الميتوكوندريا على نفس النوع من التحليل، ومحاولات اكتشاف أصول البشرية، وتتبع الأصل في الزمن.

إن mtDNA محفوظ بدرجة عالية، ومعدلات الطفرات البطيئة نسبيًا (مقارنة بمناطق أخرى من الحمض النووي مثل الأقمار الصناعية الدقيقة) تجعله مفيدًا لدراسة العلاقات التطورية – نسالة الكائنات الحية. يمكن لعلماء الأحياء تحديد ثم مقارنة تسلسلات mtDNA عبر الأنواع واستخدام المقارنات لبناء شجرة تطورية للأنواع التي تمت دراستها. ومع ذلك، نظرًا لمعدلات الطفرة البطيئة التي تواجهها، غالبًا ما يكون من الصعب التمييز بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة إلى أي حد، لذلك يجب استخدام طرق أخرى للتحليل.

طفرات الحمض النووي الميتوكوندريا

من المتوقع أن يخضع الأفراد الذين يخضعون لميراث أحادي الاتجاه وقليل من إعادة التركيب أو لا يخضعون لعملية إعادة التركيب إلى سقاطة مولر، وهي تراكم الطفرات الضارة حتى يتم فقدان الوظيفة. تتجنب مجموعات الميتوكوندريا الحيوانية هذا التراكم بسبب عملية النمو المعروفة باسم عنق الزجاجة mtDNA. يستخدم عنق الزجاجة عمليات عشوائية في الخلية لزيادة التباين من خلية إلى أخرى في حمل الطفرة مع تطور الكائن الحي، مثل أن خلية بيضة واحدة تحتوي على نسبة معينة من الحمض النووي الميتوكوندري المتحول تخلق جنينًا تحتوي فيه الخلايا المختلفة على أحمال طفرة مختلفة. يمكن بعد ذلك استهداف المستوى الخلوي لإزالة هذه الخلايا باستخدام المزيد من الحمض النووي الميتوكوندري المتحول، مما يؤدي إلى تثبيت أو تقليل الحمل المتحول بين الأجيال. تمت مناقشة الآلية الكامنة وراء عنق الزجاجة مع ورم خبيث رياضي وتجريبي حديث، وتوفر دليلًا على مزيج من التقسيم العشوائي لـ mtDNA إلى انقسامات خلوية ودوران عشوائي لجزيئات mtDNA داخل الخلية.

الميراث الأبوي

ويلاحظ الميراث المزدوج أحادي الاتجاه من mtDNA في ذوات الصدفتين. في هذه الأنواع، تمتلك الإناث نوعًا واحدًا فقط من DNA mtDNA (F)، في حين أن الذكور لديهم نوع F mtDNA في خلاياهم الجسدية، ولكن لديهم نوع M mtDNA (والذي يمكن أن يكون متباعدًا بنسبة تصل إلى 30٪) في خلايا الخط الجرثومي. بالإضافة إلى ذلك، تم الإبلاغ عن الميتوكوندريا الموروثة من الأم في بعض الحشرات مثل ذباب الفاكهة والنحل والزيز الدوري.

تم اكتشاف وراثة الميتوكوندريا الذكرية مؤخرًا في دجاج بلايموث روك. تدعم الأدلة حالات نادرة من وراثة الميتوكوندريا الذكورية في بعض الثدييات. على وجه الخصوص، توجد حالات موثقة للفئران حيث تم رفض الميتوكوندريا المشتقة من الذكور في وقت لاحق. بالإضافة إلى ذلك، تم العثور عليه في الأغنام وكذلك في الماشية المستنسخة. وجدت مرة واحدة في جسد الرجل.

على الرغم من أن العديد من هذه الحالات تنطوي على استنساخ الأجنة أو الرفض اللاحق للميتوكوندريا الأبوية، إلا أن حالات أخرى توثق الوراثة والاستمرارية في الجسم الحي في المختبر.

التبرع بالميتوكوندريا

يؤدي التلقيح الاصطناعي، المعروف باسم التبرع بالميتوكوندريا أو العلاج ببدائل الميتوكوندريا (MRT)، إلى ذرية تحتوي على الحمض النووي الميتوكوندري من المتبرعات الإناث والحمض النووي النووي من الأم والأب. في إجراء النقل المغزلي، يتم إدخال نواة بيضة في سيتوبلازم البويضة من متبرعة أنثى تمت إزالة النواة ولكنها لا تزال تحتوي على الحمض النووي الميتوكوندري للمتبرعة الأنثوية. ثم يتم تخصيب البويضة المركبة بواسطة الحيوانات المنوية للرجل. يتم استخدام هذا الإجراء عندما ترغب امرأة مصابة بالميتوكوندريا المعيبة وراثيًا في إنتاج ذرية تحتوي على ميتوكوندريا صحية. أول طفل معروف ولد نتيجة التبرع بالميتوكوندريا كان صبيًا ولد لزوجين أردنيين في المكسيك في 6 أبريل 2016.

هيكل الحمض النووي الميتوكوندريا

في معظم الكائنات متعددة الخلايا، يتم تنظيم mtDNA - أو الميتوجينوم - على شكل DNA مستدير ومغلق دائريًا ومزدوج الجديلة. ولكن في العديد من الكائنات وحيدة الخلية (على سبيل المثال، رباعيات الغشاء أو الطحالب الخضراء Chlamydomonas Reinhardtii) وفي حالات نادرة في الكائنات متعددة الخلايا (على سبيل المثال، بعض أنواع اللاسعات)، تم العثور على الحمض النووي الميتوكوندري كحمض نووي منظم خطيًا. معظم هذه الكائنات الحية الدقيقة الخطية تمتلك تيلوميرات مستقلة عن التيلوميراز (أي نهايات الحمض النووي الخطي) مع أنماط مختلفة من التكرار، مما جعلها موضوعات مثيرة للاهتمام للدراسة، حيث أن العديد من هذه الكائنات وحيدة الخلية ذات الحمض النووي الميتوكوندري الخطي معروفة بمسببات الأمراض.

بالنسبة للحمض النووي للميتوكوندريا البشري (وربما للميتوزونات)، توجد عادة 100-10000 نسخة فردية من الحمض النووي للميتوكوندريا في الخلية الجسدية (البيض والحيوانات المنوية هي الاستثناءات). في الثدييات، يتكون كل جزيء mtDNA دائري مزدوج الجديلة من 15000 إلى 17000 زوجًا أساسيًا. يختلف شريطا mtDNA في محتواهما من النوكليوتيدات، ويسمى الشريط الغني بالجوانيد بالسلسلة الثقيلة (أو حبلا H) ويسمى الشريط الغني بالسينوزين بالسلسلة الخفيفة (أو حبلا L). السلسلة الثقيلة تشفر 28 جينًا والسلسلة الخفيفة تشفر 9 جينات، ليصبح المجموع 37 جينًا. من بين 37 جينًا، 13 جينًا للبروتينات (العديدات الببتيدات)، و22 جينًا لنقل الحمض النووي الريبي (tRNA)، واثنان للوحدات الفرعية الصغيرة والكبيرة من الحمض النووي الريبي الريباسي (rRNA). يحتوي الميتوجينوم البشري على جينات متداخلة (ATP8 وATP6، وND4L وND4: انظر خريطة الجينوم البشري للميتوكوندريا)، وهو أمر نادر في الجينوم الحيواني. تم العثور على نمط 37 جينًا أيضًا بين معظم الميتازوانات، على الرغم من أنه في بعض الحالات، يكون واحد أو أكثر من هذه الجينات مفقودًا ويكون نطاق أحجام mtDNA أكبر. يوجد تباين أكبر في محتوى وحجم جينات mtDNA بين الفطريات والنباتات، على الرغم من أنه يبدو أن هناك مجموعة فرعية أساسية من الجينات موجودة في جميع حقيقيات النوى (باستثناء القلة التي لا تحتوي على ميتوكوندريا على الإطلاق). تحتوي بعض الأنواع النباتية على DNA mtDNA ضخم (ما يصل إلى 2,500,000 زوج قاعدي لكل جزيء mtDNA)، ولكن من المثير للدهشة أنه حتى هذا الحمض النووي الميتوكوندري الضخم يحتوي على نفس عدد وأنواع الجينات مثل النباتات ذات الصلة ذات DNA mtDNA الأصغر بكثير.

يتكون جينوم الميتوكوندريا في الخيار (Cucumis Sativus) من ثلاثة كروموسومات دائرية (أطوالها 1556 و84 و45 كيلو بايت)، وهي مستقلة تمامًا أو إلى حد كبير فيما يتعلق بتكاثرها.

تم العثور على ستة أنواع رئيسية من الجينوم في جينومات الميتوكوندريا. تم تصنيف هذه الأنواع من الجينومات بواسطة "كولسنيكوف وغيراسيموف (2012)" وتختلف بطرق مختلفة، مثل الجينوم الدائري مقابل الجينوم الخطي، وحجم الجينوم، ووجود الإنترونات أو الهياكل الشبيهة بالبلازميد، وما إذا كانت المادة الوراثية عبارة عن جزيء متميز. مجموعة من الجزيئات المتجانسة أو غير المتجانسة.

فك تشفير الجينوم الحيواني

يوجد في الخلايا الحيوانية نوع واحد فقط من جينوم الميتوكوندريا. يحتوي هذا الجينوم على جزيء دائري واحد يتراوح ما بين 11-28 كيلو بايت من المادة الوراثية (النوع 1).

فك تشفير الجينوم النباتي

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الجينوم الموجودة في النباتات والفطريات. النوع الأول هو جينوم دائري يحتوي على إنترونات (النوع 2) يتراوح طولها من 19 إلى 1000 كيلو بايت. النوع الثاني من الجينوم هو الجينوم الدائري (حوالي 20-1000 كيلو بايت)، والذي يحتوي أيضًا على بنية بلازميدية (1 كيلو بايت) (النوع 3). النوع الأخير من الجينوم الذي يمكن العثور عليه في النباتات والفطريات هو الجينوم الخطي، الذي يتكون من جزيئات الحمض النووي المتجانسة (النوع 5).

فك تشفير الجينوم الطلائعي

تحتوي الطلائعيات على مجموعة واسعة من جينومات الميتوكوندريا، والتي تشمل خمسة أنواع مختلفة. النوع 2 والنوع 3 والنوع 5، المذكور في جينومات النباتات والفطريات، موجود أيضًا في بعض الأوليات، وكذلك في نوعين فريدين من الجينوم. أولها عبارة عن مجموعة غير متجانسة من جزيئات الحمض النووي الدائرية (النوع 4)، ونوع الجينوم النهائي الموجود في الطلائعيات هو مجموعة غير متجانسة من الجزيئات الخطية (النوع 6). تتراوح أنواع الجينوم 4 و 6 من 1 إلى 200 كيلو بايت.

إن نقل الجينات التكافلية الداخلية، وهي عملية الجينات المشفرة في جينوم الميتوكوندريا والتي يحملها جينوم الخلية بشكل أساسي، يفسر على الأرجح سبب امتلاك الكائنات الأكثر تعقيدًا، مثل البشر، لجينومات ميتوكوندريا أصغر من جينومات الميتوكوندريا الأكبر حجمًا. كائنات بسيطة، مثل الأوليات.

تكرار الحمض النووي الميتوكوندريا

يتم تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا بواسطة مركب جاما بوليميريز الحمض النووي، والذي يتكون من بوليميريز الحمض النووي الحفزي بقدرة 140 كيلو دالتون المشفر بواسطة جين POLG ووحدتين فرعيتين إضافيتين بقوة 55 كيلو دالتون مشفرة بواسطة جين POLG2. يتكون جهاز النسخ من بوليميريز الحمض النووي وبروتينات TWINKLE وبروتينات SSB للميتوكوندريا. TWINKLE عبارة عن مروحية تعمل على فك مساحات قصيرة من dsDNA في اتجاه من 5 إلى 3 بوصات.

أثناء مرحلة التطور الجنيني، يتم تنظيم تكرار mtDNA بإحكام من البويضة المخصبة من خلال جنين ما قبل الزرع. من خلال تقليل عدد الخلايا في كل خلية بشكل فعال، يلعب الحمض النووي للميتوكوندريا دورًا في عنق الزجاجة في الميتوكوندريا، والذي يستغل التباين من خلية إلى أخرى لتحسين وراثة الطفرات الضارة. في مرحلة الخلايا الأريمية، تكون بداية تضاعف mtDNA خاصة بخلايا المشفر المغذي. في المقابل، فإن خلايا الكتلة الخلوية الداخلية تقيد تكاثر mtDNA حتى تتلقى إشارات للتمايز إلى أنواع خلايا محددة.

نسخ الحمض النووي الميتوكوندريا

في الميتوكوندريا الحيوانية، يتم نسخ كل شريط من الحمض النووي بشكل مستمر وينتج جزيء الحمض النووي الريبي متعدد السيسترونات. توجد جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل بين معظم مناطق ترميز البروتين (وليس كلها) (انظر خريطة جينوم الميتوكوندريا البشرية). أثناء النسخ، يكتسب tRNA شكل L مميز، والذي يتم التعرف عليه وتقسيمه بواسطة إنزيمات معينة. عند معالجة RNA الميتوكوندريا، يتم إطلاق الأجزاء الفردية من mRNA وrRNA وtRNA من النسخة الأولية. وبالتالي، تعمل الـ tRNA المطوية كعلامات ترقيم بسيطة.

أمراض الميتوكوندريا

إن مفهوم أن mtDNA معرض بشكل خاص لأنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن السلسلة التنفسية بسبب قربها لا يزال مثيرًا للجدل. لا يتراكم mtDNA قاعدة مؤكسدة أكثر من الحمض النووي النووي. تم الإبلاغ عن أن بعض أنواع تلف الحمض النووي المؤكسد على الأقل يتم إصلاحها بكفاءة أكبر في الميتوكوندريا مقارنة بالنواة. يتم تعبئة mtDNA ببروتينات تبدو وكأنها وقائية مثل بروتينات الكروماتين النووي. علاوة على ذلك، طورت الميتوكوندريا آلية فريدة تحافظ على سلامة الحمض النووي للميتوكوندريا عن طريق تحطيم الجينومات المتضررة بشكل مفرط متبوعة بتكرار الحمض النووي للميتوكوندريا السليم/المصلح. هذه الآلية غائبة في النواة ويتم تنشيطها بواسطة عدة نسخ من الحمض النووي للميتوكوندريا الموجودة في الميتوكوندريا. يمكن أن تكون نتيجة الطفرة في mtDNA تغييرًا في تعليمات الترميز لبعض البروتينات، مما قد يؤثر على عملية التمثيل الغذائي و/أو اللياقة البدنية للكائن الحي.

يمكن أن تؤدي طفرات الحمض النووي للميتوكوندريا إلى عدد من الأمراض، بما في ذلك عدم تحمل التمارين الرياضية ومتلازمة كيرنز ساير (KSS)، والتي تتسبب في فقدان الشخص الوظيفة الكاملة لحركات القلب والعين والعضلات. تشير بعض الأدلة إلى أنها قد تكون مساهما كبيرا في عملية الشيخوخة والأمراض المرتبطة بالعمر. على وجه التحديد، في سياق المرض، تسمى نسبة جزيئات mtDNA الطافرة في الخلية بالبلازما المتغايرة. تحدد توزيعات البلازمية المتغايرة داخل الخلايا وفيما بينها بداية المرض وشدته وتتأثر بالعمليات العشوائية المعقدة داخل الخلية وأثناء التطور.

قد تكون الطفرات في الحمض الريبي النووي النقال في الميتوكوندريا مسؤولة عن أمراض خطيرةعلى سبيل المثال، مثل متلازمات MELAS وMERRF.

الطفرات في الجينات النووية التي تشفر البروتينات التي تستخدم الميتوكوندريا يمكن أن تساهم أيضًا في أمراض الميتوكوندريا. لا تتبع هذه الأمراض أنماط وراثة الميتوكوندريا، بل تتبع أنماط وراثة مندل.

في الآونة الأخيرة، تم استخدام الطفرات في mtDNA للمساعدة في تشخيص سرطان البروستاتا لدى المرضى الذين كانت الخزعة سلبية لديهم.

آلية الشيخوخة

على الرغم من أن الفكرة مثيرة للجدل، إلا أن بعض الأدلة تشير إلى وجود صلة بين الشيخوخة وخلل الميتوكوندريا في الجينوم. بشكل أساسي، تعطل الطفرات في دنا الميتوكوندريا التوازن الدقيق لإنتاج الأكسجين التفاعلي (ROS) وإنتاج ROS الأنزيمي (بواسطة إنزيمات مثل ديسموتاز الفائق، والكاتلاز، والجلوتاثيون بيروكسيداز، وغيرها). ومع ذلك، فإن بعض الطفرات التي تزيد من إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (على سبيل المثال، عن طريق تقليل الدفاعات المضادة للأكسدة) في الديدان تزيد من طول عمرها، بدلاً من تقليله. بالإضافة إلى ذلك، تعيش فئران العث العارية، وهي قوارض بحجم الفئران، حياة أطول بحوالي ثماني مرات من الفئران، على الرغم من انخفاض دفاعاتها المضادة للأكسدة وزيادة الضرر التأكسدي للجزيئات الحيوية مقارنة بالفئران.

ذات مرة كان يعتقد أن هناك دورة حميدة تعليققيد التنفيذ ("الحلقة المفرغة")؛ عندما يتراكم الحمض النووي للميتوكوندريا الضرر الجيني الناجم عن الجذور الحرة، تفقد الميتوكوندريا وظيفتها وتطلق الجذور الحرة في العصارة الخلوية. يؤدي انخفاض وظيفة الميتوكوندريا إلى تقليل كفاءة التمثيل الغذائي بشكل عام. ومع ذلك، تم دحض هذا المفهوم أخيرًا عندما تم إثبات أن الفئران تم تعديلها وراثيًا لتتراكم طفرات الحمض النووي الميتوكوندري في معدل عمر متزايد قبل الأوان، لكن أنسجتها لا تنتج المزيد من أنواع الأكسجين التفاعلية، كما تنبأت فرضية "الدورة المفرغة". دعمًا للصلة بين طول العمر والحمض النووي للميتوكوندريا، وجدت بعض الدراسات ارتباطات بين الخواص الكيميائية الحيوية للحمض النووي للميتوكوندريا وطول عمر الأنواع. يتم إجراء أبحاث واسعة النطاق لمواصلة استكشاف هذا الارتباط والعلاجات المضادة للشيخوخة. حاليًا، يعد العلاج الجيني والمكملات الغذائية من المجالات الشائعة للبحث المستمر. بيلاكوفيتش وآخرون. وحلل نتائج 78 دراسة بين عامي 1977 و2012، شملت ما مجموعه 296.707 مشاركين، وخلص إلى أن المكملات المضادة للأكسدة لم تقلل الوفيات من أي سبب أو تطيل متوسط ​​العمر المتوقع، في حين أن بعض هذه، مثل البيتا كاروتين وفيتامين هـ وما فوق. جرعات فيتامين أ قد تؤدي في الواقع إلى زيادة معدل الوفيات.

غالبًا ما تحدث نقاط توقف الحذف داخل أو بالقرب من المناطق التي تظهر مطابقات غير متعارف عليها (غير B)، وهي عناصر دبوس الشعر، والعناصر المتقاطعة، والعناصر الشبيهة بالبرسيم. بالإضافة إلى ذلك، هناك أدلة على أن المناطق المنحنية للتشوه الحلزوني ورباعيات G الطويلة تشارك في اكتشاف أحداث عدم الاستقرار. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت باستمرار نقاط كثافة أعلى في المناطق ذات انحراف GC وعلى مقربة من جزء التسلسل المتدهور YMMYMNNMMHM.

كيف يختلف الحمض النووي للميتوكوندريا عن الحمض النووي؟

على عكس الحمض النووي النووي، الذي يتم توريثه من كلا الوالدين والذي يتم فيه إعادة ترتيب الجينات من خلال عملية إعادة التركيب، لا يوجد عادة أي تغيير في الحمض النووي الميتوكوندري من الوالدين إلى الأبناء. على الرغم من أن الحمض النووي للميتوكوندريا يتحد أيضًا من جديد، إلا أنه يفعل ذلك بنسخ من نفسه داخل نفس الميتوكوندريا. ولهذا السبب، فإن معدل طفرة الحمض النووي الميتوكوندري الحيواني أعلى من معدل الطفرة في الحمض النووي النووي. يعد mtDNA أداة قوية لتتبع النسب الأمومي وقد تم استخدامه في هذا الدور لتتبع أصل العديد من الأنواع منذ مئات الأجيال.

إن المعدل السريع للطفرات (في الحيوانات) يجعل الحمض النووي للميتوكوندريا مفيدًا لتقييم العلاقات الجينية للأفراد أو المجموعات داخل النوع، وكذلك لتحديد وتحديد تحديد الكمياتالسلالة (العلاقات التطورية) بين الأنواع المختلفة. للقيام بذلك، يحدد علماء الأحياء ثم يقارنون تسلسل mtDNA من أفراد أو أنواع مختلفة. تُستخدم البيانات المستمدة من المقارنات لبناء شبكة من العلاقات بين التسلسلات التي توفر تقديرًا للعلاقات بين الأفراد أو الأنواع التي أُخذ منها الحمض النووي الميتوكوندري. يمكن استخدام mtDNA لتقييم العلاقات بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة والبعيدة. نظرًا للتكرار العالي لطفرات mtDNA في الحيوانات، تتغير رموز الموضع الثالث بسرعة نسبية، وبالتالي توفر معلومات حول المسافات الجينية بين الأفراد أو الأنواع ذات الصلة الوثيقة. من ناحية أخرى، فإن معدل استبدال بروتينات mt منخفض جدًا، لذلك تتراكم تغيرات الأحماض الأمينية ببطء (مع تغيرات بطيئة مقابلة في مواضع الكودون الأول والثاني) وبالتالي فهي توفر معلومات حول المسافات الجينية للأقارب البعيدين. وبالتالي يمكن استخدام النماذج الإحصائية التي تأخذ في الاعتبار معدلات الاستبدال بين مواضع الكودونات بشكل منفصل لتقدير سلالات السلالات التي تحتوي على الأنواع ذات الصلة الوثيقة والبعيدة.

تاريخ اكتشاف mtDNA

تم اكتشاف الحمض النووي للميتوكوندريا في الستينيات من قبل مارجيت إم كيه ناس وسيلفان ناس باستخدام المجهر الإلكتروني كخيوط حساسة لـ DNase داخل الميتوكوندريا، ومن قبل إلين هاسبرونر وهانز تابي وجوتفريد شاتز من الاختبارات البيوكيميائيةعلى أجزاء الميتوكوندريا عالية النقاء.

تم التعرف على الحمض النووي للميتوكوندريا لأول مرة في عام 1996 خلال قضية تينيسي ضد بول وير. في عام 1998، في قضية محكمة كومنولث بنسلفانيا ضد باتريشيا لين رورير، تم قبول الحمض النووي للميتوكوندريا كدليل لأول مرة في ولاية بنسلفانيا. ظهرت القضية في الحلقة 55 من الموسم الخامس من مسلسل True Drama Forensic Court Case (الموسم الخامس).

تم التعرف على الحمض النووي للميتوكوندريا لأول مرة في كاليفورنيا أثناء المحاكمة الناجحة لديفيد ويسترفيلد بتهمة اختطاف وقتل دانييل فان دام البالغة من العمر 7 سنوات في سان دييغو عام 2002، وقد تم استخدامه للتعرف على كل من البشر والكلاب. كان هذا أول اختبار في الولايات المتحدة لحل الحمض النووي للكلاب.

قواعد بيانات mtDNA

تم إنشاء العديد من قواعد البيانات المتخصصة لجمع تسلسلات جينوم الميتوكوندريا وغيرها من المعلومات. على الرغم من أن معظمها يركز على بيانات التسلسل، إلا أن بعضها يتضمن معلومات تطورية أو وظيفية.

• MitoSatPlant: قاعدة بيانات الأقمار الصناعية الدقيقة لنباتات الميتوكوندريا الفيريدي.

• MitoBreak: قاعدة بيانات نقطة توقف الحمض النووي للميتوكوندريا.

• MitoFish وMitoAnnotator: قاعدة بيانات جينوم الميتوكوندريا السمكية. انظر أيضًا كاوثورن وآخرون.

• MitoZoa 2.0: قاعدة بيانات للتحليل المقارن والتطوري لجينومات الميتوكوندريا (لم تعد متوفرة)

• InterMitoBase: قاعدة بيانات مشروحة ومنصة تحليل التفاعل بين البروتين والبروتين للميتوكوندريا البشرية (آخر تحديث في عام 2010، ولكنها لا تزال غير متوفرة)

• ميتومي: قاعدة بيانات لجينوميات الميتوكوندريا المقارنة في الميتازوانز (لم تعد متوفرة)

• MitoRes: مورد لجينات الميتوكوندريا المشفرة نوويًا ومنتجاتها في الميتازوانات (لم يعد يتم تحديثها)

هناك العديد من قواعد البيانات المتخصصة التي تُبلغ عن تعدد الأشكال والطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية إلى جانب تقييمات قدرتها المرضية.

• MITOMAP: خلاصة وافية لتعدد الأشكال والطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية.

• MitImpact: مجموعة من التنبؤات المسببة للأمراض لجميع التغيرات في النيوكليوتيدات التي تسبب بدائل غير معروفة في جينات ترميز بروتين الميتوكوندريا البشرية.

لا توجد الميتوكوندريا في الخلايا النباتية فحسب، بل توجد أيضًا في الخلايا الحيوانية والفطرية. هذه العضيات أكثر تنوعًا من البلاستيدات. تم اكتشاف الحمض النووي في الميتوكوندريا لأول مرة في عام 1963 (م. ناس) مباشرة بعد اكتشاف الحمض النووي في البلاستيدات. على الرغم من تشابه وظائف وبنية الميتوكوندريا في جميع ممالك حقيقيات النوى الثلاث، إلا أن تنظيمها الجيني مختلف تمامًا، لذلك عادةً ما يتم النظر في تنظيم جينومات الميتوكوندريا في هذه الممالك بشكل منفصل، مما يحدد السمات المشتركة لتنظيم الجينوم.

يختلف التركيب الفيزيائي الكيميائي للحمض النووي للميتوكوندريا في الممالك المختلفة. يكون الأمر ثابتًا تمامًا في النباتات: من 45 إلى 47٪ من الحمض النووي يتكون من أزواج GC. في الحيوانات والفطريات، يختلف بشكل ملحوظ: من 21 إلى 50٪ من أزواج HC.

في الحيوانات متعددة الخلايا، يتراوح حجم جينوم الميتوكوندريا من 14.5 إلى 19.5 كيلو بايت. ومن الناحية العملية، فهو دائمًا عبارة عن جزيء DNA دائري واحد. على سبيل المثال، الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية هو جزيء دائري يبلغ قياسه 16569 زوجًا من النيوكليوتيدات. يمكن التعبير عن هذا الحجم بوحدات أخرى - في شكل وزن جزيئي - 10 6 دالتون أو في شكل طول الكفاف الجزيئي - 5 ميكرون. تم تحديد البنية الأولية لهذا الجزيء بالكامل. تحتوي الميتوكوندريا على جهاز الترجمة الخاص بها - أي. تمتلك ريبوسومات 70S، تشبه البلاستيدات الخضراء أو بدائيات النواة وتتكون من وحدتين فرعيتين، RNA الخاص بها، والإنزيمات الضرورية وعوامل البروتين. يشفر جينومهم 12S و16S من الريبوسوم RNA، بالإضافة إلى 22 RNA ناقل. بالإضافة إلى ذلك، يشفر الحمض النووي للميتوكوندريا 13 ببتيدًا، تم التعرف على 12 منها. تقع جميع تسلسلات الترميز بجوار بعضها البعض مباشرةً. وفي الحالات القصوى، لا يفصل بينهما سوى عدد قليل من النيوكليوتيدات. تسلسلات غير الترميز، أي. لا الإنترونات. بعد تسلسل الترميز، يوجد دائمًا جين RNA ناقل. على سبيل المثال، الترتيب هو كما يلي: نقل فينيل ألانين RNA - جين RNA الريباسي 12S - جين RNA الريباسي 16S - جين RNA الريباسي 16S، إلخ. هذا الترتيب مميز ليس فقط للميتوكوندريا البشرية، بل هو محافظ للغاية ومميز لجميع الحيوانات: ذباب الفاكهة والثيران والفئران والطيور والزواحف وغيرها من الحيوانات.

تقع معظم الجينات في السلسلة الثقيلة، أما في السلسلة الخفيفة فلا يوجد سوى جينات لثمانية جزيئات RNA ناقلة وجين بنيوي واحد. وهكذا، وعلى عكس جميع الجينومات الأخرى، فإن كلتا السلسلتين لهما معنى في جينوم الميتوكوندريا.

على الرغم من أن ترتيب الجينات في الميتوكوندريا الحيوانية هو نفسه، فقد وجد أن الجينات نفسها لها حفظ مختلف. الأكثر تغيرًا هو تسلسل النيوكليوتيدات لأصل التكرار وعدد من الجينات الهيكلية. توجد التسلسلات الأكثر حفظًا في جينات الحمض النووي الريبوزي الريباسي وبعض الجينات الهيكلية، بما في ذلك تسلسل ترميز ATPase.

تجدر الإشارة إلى أن عالمية الشفرة الوراثية معطلة في جينوم الميتوكوندريا. على سبيل المثال، تستخدم الميتوكوندريا البشرية ثلاثي AUA ككودون للميثيونين، وليس آيزوليوسين، مثل أي شخص آخر، ويستخدم ثلاثي UGA، المستخدم في القاموس الجيني القياسي ككودون إيقاف، وهو رموز للتريبتوفان في الميتوكوندريا.

بشكل عام، يبدو الحمض النووي للميتوكوندريا البشرية مماثلاً للثدييات الأخرى: الفئران والثيران. على الرغم من أن هذه الأنواع بعيدة كل البعد عن كونها ذات صلة وثيقة، إلا أن أحجام الحمض النووي للميتوكوندريا الخاصة بها قريبة جدًا من بعضها البعض: 16.569؛ 16,295؛ و 16338 زوجًا أساسيًا على التوالي. تتشارك جينات RNA الناقلة في بعض الجينات الحسية. أهم الجينات الهيكلية هي جينات أوكسيديز السيتوكروم، ونازعة هيدروجين NADH، وأكسيدوريدوكتيز السيتوكروم سي، وسينسيتاز ATP (الشكل 4).

وتظهر خريطة جينوم الميتوكوندريا البشرية، بالإضافة إلى الجينات، أيضًا خمسة أمراض بشرية معروفة يتم توريثها عبر خط الأم وتسببها طفرات في جينوم الميتوكوندريا.

على سبيل المثال، يحدث مرض ليبر - ضمور العصب البصري - بسبب طفرة في جين نازعة هيدروجين NADH. يمكن أن يحدث المرض نفسه أيضًا بسبب طفرة في جين السيتوكروم بومواضع أخرى. في المجمل، من المعروف أن أربعة مواضع معطلة ويمكن أن تسبب نفس النمط الظاهري المتحول. بالإضافة إلى ذلك، تظهر نفس الخريطة أربعة أمراض أخرى مرتبطة بعيوب في الدماغ والعضلات والقلب والكلى والكبد. كل هذه الأمراض موروثة على خط الأم، وإذا لم يكن لدى الأم خلل في الحمض النووي والميتوكوندريا الطبيعي فحسب، بل يحدث أيضًا فرز للعضيات المتحولة والعادية، ويمكن أن يكون لدى النسل كلا العضيتين بنسب مختلفة، ونحن يمكن أيضًا ملاحظة الانقسام الجسدي عندما لا تحتوي الأجزاء الفردية من الجسم على هذه العيوب.

أرز. 4 هيكل جينوم الميتوكوندريا في الثدييات بناءً على التسلسل الكامل للحمض النووي للميتوكوندريا البشري والفأري والبقري

وبالتالي، فإن جينوم الميتوكوندريا الصغير للحيوانات يمكن أن يشفر وظائف مهمة للغاية للجسم ويحدد إلى حد كبير تطوره الطبيعي.

تمامًا مثل الجينوم البلاستيدي، يقوم جينوم الميتوكوندريا بتشفير جزء فقط من ببتيدات الميتوكوندريا (الجدول 1) ولوحظت ظاهرة الترميز المزدوج. على سبيل المثال، يتم تشفير بعض الوحدات الفرعية لمجمع ATPase بواسطة النواة، بينما يتم تشفير الجزء الآخر بواسطة جينوم الميتوكوندريا. يتم تشفير معظم الجينات التي تشفر RNAs والبروتينات العضلية الغضروفية الريبوسومية، بالإضافة إلى إنزيمات النسخ والترجمة، بواسطة نواة الخلية.

أنت تعلم أن علماء الأنثروبولوجيا يقسمون الناس إلى ثلاثة أجناس كبيرة: الزنوج والقوقازيون والمنغوليون. يختلف ممثلو هذه الأجناس في لون البشرة وشكل الجسم وشكل العين وما إلى ذلك. لكن في الواقع، هناك اختلافات واضحة بين الأشخاص المختلفين من أعراق مختلفة فقط إذا أخذنا مجموعات متباعدة جغرافيًا. إذا نظرت إلى تنوع الخصائص الأنثروبومترية ككل، يتبين أنه لا توجد فروق واضحة، فهناك العديد من الأشكال الانتقالية. لماذا وكيف طور الناس اختلافات خارجية، وأين ومتى نشأت البشرية؟

تم إنشاء أرقام المقالة بناءً على بيانات من مختبر تحليل الجينوم التابع لمعهد علم الوراثة الجينية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم والمنشورات التالية:

• ستيبانوف ف. علم الأعراق البشرية لشعوب شمال أوراسيا. تومسك، 2002.
• ستيفن أوبنهايمر. الحواء الحقيقية: رحلة الإنسان الحديث خارج أفريقيا www.bradshawfoundation.com/journey/
• Ovchinnikov IV, G?therstr?m A, Romanova GP, Kharitonov VM, Lid?n K, Goodwin W. التحليل الجزيئي للحمض النووي للإنسان البدائي من شمال القوقاز.//الطبيعة. 2000 30;404(6777):490-3.
• تيشكوف سا، ويليامز سم. التحليل الجيني للسكان الأفارقة: التطور البشري والأمراض المعقدة. // نات القس جينيت. 2002;3(8):611-21.

مقدمة

لقد مر ربع قرن منذ اكتشاف جزيئات الحمض النووي في الميتوكوندريا قبل أن يهتم بها ليس فقط علماء الأحياء الجزيئية وعلماء الخلايا، ولكن أيضًا علماء الوراثة ودعاة التطور، وكذلك علماء الحفريات وعلماء الجريمة. وقد أثار هذا الاهتمام الواسع النطاق عمل أ. ويلسون من جامعة كاليفورنيا. وفي عام 1987، نشر نتائج تحليل مقارن للحمض النووي للميتوكوندريا مأخوذ من 147 ممثلًا لمجموعات عرقية مختلفة من جميع الأجناس البشرية التي تسكن القارات الخمس. بناءً على نوع وموقع وعدد الطفرات الفردية، ثبت أن جميع الحمض النووي للميتوكوندريا نشأ من تسلسل نيوكليوتيدات سلفي واحد من خلال التباعد. في الصحافة العلمية الزائفة، تم تفسير هذا الاستنتاج بطريقة مبسطة للغاية - فقد انحدرت البشرية جمعاء من امرأة واحدة، تسمى حواء الميتوكوندريا (نظرًا لأن البنات والأبناء يتلقون الميتوكوندريا فقط من أمهم)، والتي عاشت في شمال شرق إفريقيا حوالي منذ 200 ألف سنة. وبعد 10 سنوات أخرى، أصبح من الممكن فك شفرة جزء من الحمض النووي للميتوكوندريا المعزول من بقايا إنسان نياندرتال، وتقدير وجود آخر سلف مشترك للإنسان والنياندرتال منذ 500 ألف سنة.

اليوم، يتطور علم وراثة الميتوكوندريا البشرية بشكل مكثف من الناحيتين السكانية والطبية. تم العثور على علاقة بين عدد من الأمراض الوراثية الشديدة والعيوب في الحمض النووي للميتوكوندريا. تكون التغيرات الجينية المرتبطة بالشيخوخة أكثر وضوحًا في الميتوكوندريا. ما هو جينوم الميتوكوندريا الذي يختلف عند البشر والحيوانات الأخرى عن جينوم النباتات والفطريات والأوالي في الحجم والشكل والقدرة الجينية؟ ما هو الدور، وكيف يعمل، وكيف نشأ جينوم الميتوكوندريا في الأصناف المختلفة بشكل عام وفي البشر بشكل خاص؟ سيتم مناقشة هذا في مقالتي "الصغيرة والأكثر تواضعًا".

بالإضافة إلى الحمض النووي، تحتوي مصفوفة الميتوكوندريا أيضًا على الريبوسومات الخاصة بها، والتي تختلف في العديد من الخصائص عن الريبوسومات حقيقية النواة الموجودة على أغشية الشبكة الإندوبلازمية. ومع ذلك، لا يتم تشكيل أكثر من 5٪ من جميع البروتينات المدرجة في تكوينها على ريبوسومات الميتوكوندريا. يتم تشفير معظم البروتينات التي تشكل المكونات الهيكلية والوظيفية للميتوكوندريا بواسطة الجينوم النووي، ويتم تصنيعها على ريبوسومات الشبكة الإندوبلازمية ونقلها عبر قنواتها إلى موقع التجميع. وبالتالي، فإن الميتوكوندريا هي نتيجة الجهود المشتركة لجينومين وجهازين للنسخ والترجمة. تتكون بعض إنزيمات الوحدة الفرعية من سلسلة الميتوكوندريا التنفسية من عديدات ببتيدات مختلفة، بعضها مشفر بواسطة الجينوم النووي، وبعضها بواسطة جينوم الميتوكوندريا. على سبيل المثال، الإنزيم الرئيسي للفسفرة التأكسدية، السيتوكروم سي أوكسيديز في الخميرة، يتكون من ثلاث وحدات فرعية مشفرة ومركبة في الميتوكوندريا، وأربع وحدات فرعية مشفرة في نواة الخلية ويتم تصنيعها في السيتوبلازم. يتم التحكم في التعبير عن معظم جينات الميتوكوندريا بواسطة جينات نووية محددة.

النظرية التكافلية لأصل الميتوكوندريا

تم التعبير عن الفرضية حول أصل الميتوكوندريا والبلاستيدات النباتية من بكتيريا التعايش الداخلي داخل الخلايا بواسطة R. Altman في عام 1890. على مدار قرن التطور السريع في الكيمياء الحيوية وعلم الخلايا وعلم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، والذي ظهر قبل نصف قرن، أصبحت الفرضية نمت لتصبح نظرية مبنية على كمية كبيرة من المواد الواقعية. جوهرها هو كما يلي: مع ظهور البكتيريا الضوئية، تراكمت الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض - نتيجة ثانوية لعملية التمثيل الغذائي. ومع زيادة تركيزه، أصبحت حياة الكائنات غيرية التغذية اللاهوائية أكثر تعقيدًا، وتحول بعضها من التخمر الخالي من الأكسجين إلى الفسفرة التأكسدية للحصول على الطاقة. يمكن لمثل هذه الكائنات الهوائية المتغايرة، بكفاءة أكبر من البكتيريا اللاهوائية، تحطيم المواد العضوية المتكونة نتيجة لعملية التمثيل الضوئي. تم التقاط بعض الكائنات الهوائية التي تعيش بحرية عن طريق اللاهوائيات، ولكن لم يتم "هضمها"، بل تم تخزينها كمحطات طاقة، أي الميتوكوندريا. لا ينبغي النظر إلى الميتوكوندريا كعبيد، يتم أسرها من أجل توفير جزيئات ATP للخلايا غير القادرة على التنفس. إنهم بالأحرى "مخلوقات" وجدت لأنفسهم ولذريتهم، في عصر البروتيروزويك، أفضل الملاجئ، حيث يمكنهم بذل أقل قدر من الجهد دون التعرض لخطر التعرض للأكل.

هناك حقائق عديدة تتحدث لصالح النظرية التكافلية:

تتطابق أحجام وأشكال الميتوكوندريا مع البكتيريا الهوائية الحرة؛ كلاهما يحتوي على جزيئات DNA دائرية غير مرتبطة بالهستونات (على عكس الحمض النووي الخطي)؛

من حيث تسلسل النيوكليوتيدات، تختلف الريبوسومات والحمض النووي الريبوزي الناقل للميتوكوندريا عن تلك النووية، في حين تظهر تشابهًا مدهشًا مع جزيئات مماثلة لبعض البكتيريا الهوائية سالبة الجرام؛

على الرغم من ترميز بوليميرات الحمض النووي الريبي في نواة الخلية، يتم تثبيطها بواسطة الريفامبيسين، مثل البكتيريا، كما أن بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة غير حساسة لهذا المضاد الحيوي؛

يتم تثبيط تخليق البروتين في الميتوكوندريا والبكتيريا بواسطة نفس المضادات الحيوية التي لا تؤثر على الريبوسومات في حقيقيات النوى.

يتشابه التركيب الدهني للغشاء الداخلي للميتوكوندريا والبلازما البكتيرية، ولكنه يختلف تمامًا عن تركيب الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، والذي يكون متماثلًا مع الأغشية الأخرى للخلايا حقيقية النواة؛

إن الأعراف التي يتكونها الغشاء الداخلي للميتوكوندريا هي النظائر التطورية للأغشية المتوسطة للعديد من بدائيات النوى.

لا تزال هناك كائنات تحاكي الأشكال الوسيطة في طريق تكوين الميتوكوندريا من البكتيريا (الأميبا البدائية بيلوميكسالا تحتوي على ميتوكوندريا، ولكنها تحتوي دائمًا على بكتيريا تكافلية داخلية).

هناك فكرة مفادها أن الممالك المختلفة لحقيقيات النوى لها أسلاف مختلفون وأن التعايش الداخلي البكتيري نشأ في مراحل مختلفة من تطور الكائنات الحية. ويتجلى ذلك أيضًا من خلال الاختلافات في بنية جينومات الميتوكوندريا في الأوليات والفطريات والنباتات والحيوانات العليا. ولكن في جميع الحالات، دخل الجزء الرئيسي من الجينات من بروميتوكوندريا إلى النواة، ربما بمساعدة العناصر الوراثية المتنقلة. عندما يتم تضمين جزء من جينوم أحد المتعايشين في جينوم آخر، يصبح تكامل المتعايشين لا رجعة فيه. يمكن للجينوم الجديد إنشاء مسارات استقلابية تؤدي إلى التكوين منتجات صحيةوالتي لا يمكن توليفها من قبل أي من الشريكين بشكل منفصل. وبالتالي، فإن تخليق الهرمونات الستيرويدية بواسطة خلايا قشرة الغدة الكظرية هو سلسلة معقدة من التفاعلات، بعضها يحدث في الميتوكوندريا، وبعضها في الشبكة الإندوبلازمية. ومن خلال التقاط جينات البروميتوكوندريا، تمكنت النواة من التحكم بشكل موثوق في وظائف المتعايش. تقوم النواة بتشفير جميع البروتينات وتخليق الدهون في الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، ومعظم بروتينات المطرق والغشاء الداخلي للعضيات. والأهم من ذلك، أن النواة تشفر الإنزيمات اللازمة لنسخ ونسخ وترجمة mtDNA، وبالتالي التحكم في نمو وتكاثر الميتوكوندريا. يجب أن يكون معدل نمو شركاء التعايش هو نفسه تقريبًا. إذا كان المضيف ينمو بشكل أسرع، فمع كل جيل، سينخفض ​​عدد المتعايشين لكل فرد، وفي النهاية، سيظهر أحفاد بدون الميتوكوندريا. نحن نعلم أن كل خلية في كائن يتكاثر جنسيًا تحتوي على العديد من الميتوكوندريا التي تكرر الحمض النووي الخاص بها بين أقسام المضيف. وهذا يضمن أن كل خلية من الخلايا الوليدة تتلقى نسخة واحدة على الأقل من جينوم الميتوكوندريا.

دور نواة الخلية في التكاثر الحيوي للميتوكوندريا

هناك نوع معين من الخميرة الطافرة لديه حذف كبير في الحمض النووي للميتوكوندريا، مما يؤدي إلى التوقف الكامل لتخليق البروتين في الميتوكوندريا؛ ونتيجة لذلك، تصبح هذه العضيات غير قادرة على أداء وظيفتها. منذ أن نمت على وسط مع محتوى منخفضالجلوكوز، مثل هذه المسوخات تشكل مستعمرات صغيرة، يطلق عليهم مو السيتوبلازميtantamiصغيرتي.

على الرغم من أن الطفرات الصغيرة لا تمتلك تخليق بروتين الميتوكوندريا، وبالتالي لا تشكل ميتوكوندريا طبيعية، إلا أن هذه الطفرات تحتوي مع ذلك على بروميتوكوندريا,والتي تشبه إلى حد ما الميتوكوندريا العادية، ولها غشاء خارجي طبيعي وغشاء داخلي مع أعراف سيئة التطور. تحتوي البروميتوكوندريا على العديد من الإنزيمات المشفرة بواسطة الجينات النووية ويتم تصنيعها على الريبوسومات السيتوبلازمية، بما في ذلك بوليميرات DNA وRNA، وجميع إنزيمات دورة حمض الستريك والعديد من البروتينات التي تشكل الغشاء الداخلي. وهذا يوضح بوضوح الدور السائد للجينوم النووي في التكاثر الحيوي للميتوكوندريا.

ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه على الرغم من أن شظايا الحمض النووي المفقودة تمثل 20 إلى أكثر من 99.9٪ من جينوم الميتوكوندريا، فإن الكمية الإجمالية للحمض النووي للميتوكوندريا في الطفرات الصغيرة تظل دائمًا على نفس المستوى كما هو الحال في النوع البري. ويرجع ذلك إلى عملية تضخيم الحمض النووي التي لا تزال غير مدروسة، ونتيجة لذلك يتم تشكيل جزيء الحمض النووي، الذي يتكون من تكرارات ترادفية من نفس القسم ويساوي حجم الجزيء الطبيعي. على سبيل المثال، الحمض النووي للميتوكوندريا لكائن متحول صغير يحتفظ بـ 50% من تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي من النوع البري سيتكون من تكرارين، في حين أن الجزيء الذي يحتفظ فقط 0,1% سيتم بناء الجينوم البري من 1000 نسخة من الجزء المتبقي. وبالتالي، يمكن استخدام الطفرات الصغيرة للحصول على كميات كبيرة من أجزاء محددة من الحمض النووي للميتوكوندريا، والتي يمكن القول بأنها مستنسخة بالطبيعة نفسها.

على الرغم من أن التولد الحيوي للعضيات يتم التحكم فيه بشكل أساسي عن طريق الجينات النووية، إلا أن العضيات نفسها، وفقًا لبعض البيانات، لها أيضًا نوع من التأثير التنظيمي على مبدأ التغذية الراجعة؛ على الأقل هذا هو الحال مع الميتوكوندريا. إذا تم حظر تخليق البروتين في الميتوكوندريا في الخلايا السليمة، فإن الإنزيمات المشاركة في تخليق الميتوكوندريا للحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات تبدأ في التشكل بشكل زائد في السيتوبلازم، كما لو أن الخلية تحاول التغلب على تأثير عامل الحجب. ولكن على الرغم من أن وجود بعض الإشارات من الميتوكوندريا أمر لا شك فيه، إلا أن طبيعتها لا تزال غير معروفة.

لعدد من الأسباب، يتم الآن دراسة آليات التولد الحيوي للميتوكوندريا في معظم الحالات في الثقافات السكريات كارلسبيرجينسيس(خميرة البيرة و س. الخباز(خميرة الخباز). أولاً، عندما تنمو هذه الخمائر على الجلوكوز، فإنها تظهر قدرة فريدة على الوجود فقط من خلال تحلل السكر، أي الاستغناء عن وظيفة الميتوكوندريا. وهذا يجعل من الممكن دراسة الطفرات في الميتوكوندريا والحمض النووي النووي التي تتداخل مع تطور هذه العضيات. مثل هذه الطفرات قاتلة في جميع الكائنات الحية الأخرى تقريبًا. ثانيًا، الخميرة - وهي كائنات حقيقية النواة بسيطة أحادية الخلية - يسهل استزراعها وكشفها البحوث البيوكيميائية. أخيرًا، يمكن أن تتكاثر الخميرة في كل من المرحلتين الأحادية والثنائية الصبغية، عادةً عن طريق البراعم اللاجنسي (الانقسام غير المتماثل). ولكن في الخميرة، تحدث العملية الجنسية أيضًا: من وقت لآخر، تندمج خليتين أحادية الصيغة الصبغية لتشكل زيجوتًا ثنائي الصيغة الصبغية، والذي ينقسم بعد ذلك عن طريق الانقسام الفتيلي أو يخضع للانقسام الاختزالي وينتج مرة أخرى خلايا أحادية الصيغة الصبغية. من خلال التحكم التجريبي في تناوب التكاثر اللاجنسي والجنسي، يمكن للمرء أن يتعلم الكثير عن الجينات المسؤولة عن وظيفة الميتوكوندريا. باستخدام هذه الطرق، من الممكن، على وجه الخصوص، معرفة ما إذا كانت هذه الجينات موضعية في الحمض النووي النووي أو في الحمض النووي للميتوكوندريا، حيث أن طفرات جينات الميتوكوندريا لا يتم توريثها وفقًا لقوانين مندل التي تحكم وراثة الجينات النووية.

أنظمة نقل الميتوكوندريا

يتم استيراد معظم البروتينات الموجودة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء إلى هذه العضيات من العصارة الخلوية. وهذا يثير سؤالين: كيف تقوم الخلية بتوجيه البروتينات إلى العضية المناسبة، وكيف تدخل هذه البروتينات إلى الخلية؟

تم الحصول على إجابة جزئية من خلال دراسة نقل الوحدة الفرعية الصغيرة (S) من الإنزيم إلى سدى البلاستيدات الخضراء ريبولوز-1،5-ثنائي الفوسفات-كربوكسيغرف التفتيش.إذا تم عزل mRNA من سيتوبلازم الطحالب وحيدة الخلية الكلاميدوموناسأو من أوراق البازلاء، التي يتم إدخالها كمصفوفة في نظام تصنيع البروتين في المختبر، سيتم ربط أحد البروتينات العديدة الناتجة بجسم مضاد محدد لـ S. يسمى بروتين S الذي يتم تصنيعه في المختبر ppo-S لأنه يحتوي على حوالي 50 من بقايا الأحماض الأمينية أكبر من بروتين S العادي. عندما يتم تحضين البروتين المؤيد لـ S مع البلاستيدات الخضراء السليمة، فإنه يخترق العضيات ويتحول هناك بواسطة الببتيداز إلى بروتين S. بعد ذلك يرتبط بروتين S بالوحدة الفرعية الكبيرة من ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز، الذي يتم تصنيعه في ريبوسومات البلاستيدات الخضراء، ويشكل معه إنزيمًا نشطًا في سدى البلاستيدات الخضراء.

آلية نقل بروتين S غير معروفة. يُعتقد أن pro-S يرتبط ببروتين مستقبلي موجود على الغشاء الخارجي للبلاستيدات الخضراء أو عند تقاطع الأغشية الخارجية والداخلية، ومن ثم يتم نقله إلى السدى عبر قنوات عبر الغشاء نتيجة لعملية تتطلب طاقة المصروفات.

يحدث نقل البروتين إلى الميتوكوندريا بطريقة مماثلة. إذا تم تحضين ميتوكوندريا الخميرة النقية مع مستخلص خلية يحتوي على بروتينات الخميرة المشعة المُصنَّعة حديثًا، فيمكن ملاحظة أن بروتينات الميتوكوندريا المشفرة بواسطة الجينوم النووي يتم فصلها عن البروتينات غير الميتوكوندريا في السيتوبلازم ويتم دمجها بشكل انتقائي في الميتوكوندريا - تمامًا كما يحدث في الميتوكوندريا. خلية سليمة في هذه الحالة، تجد بروتينات الأغشية الخارجية والداخلية والمصفوفة والفضاء بين الغشائي طريقها إلى الحجرة المقابلة في الميتوكوندريا.

تحتوي العديد من البروتينات المصنعة حديثًا والموجهة للغشاء الداخلي والمطرس والفضاء بين الغشاء على ببتيد قائد في الطرف N الخاص بها، والذي يتم قطعه أثناء النقل بواسطة بروتياز محدد موجود في المصفوفة. يتطلب نقل البروتينات إلى هذه الأجزاء الثلاثة من الميتوكوندريا طاقة التدرج الكهروكيميائي للبروتون الذي يتم إنشاؤه في الغشاء الداخلي. تختلف آلية نقل البروتين للغشاء الخارجي: في هذه الحالة، لا تكون هناك حاجة إلى طاقة ولا انقسام بروتيني لبروتين سلائف أطول. تشير هذه الملاحظات وغيرها إلى أن جميع المجموعات الأربع من بروتينات الميتوكوندريا يتم نقلها إلى العضية من خلال الآلية التالية: من المفترض أن جميع البروتينات، باستثناء تلك الموجهة للغشاء الخارجي، يتم دمجها في الغشاء الداخلي نتيجة لعملية تتطلب إنفاق الطاقة ويحدث في أماكن الاتصال بين الأغشية الخارجية والداخلية. على ما يبدو، بعد هذا الدمج الأولي للبروتين في الغشاء، فإنه يخضع للانقسام البروتيني، مما يؤدي إلى تغيير في شكله؛ اعتمادًا على كيفية تغير الشكل، يتم تثبيت البروتين في الغشاء أو "دفعه" إلى المطرق أو إلى الفضاء بين الغشاء.

إن نقل البروتينات عبر أغشية الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء يشبه من حيث المبدأ نقلها عبر أغشية الشبكة الإندوبلازمية. ومع ذلك، هناك العديد من الاختلافات الهامة. أولاً، عند نقله إلى المطرق أو السدى، يمر البروتين عبر الغشاء الخارجي والداخلي للعضية، بينما عند نقله إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية، تمر الجزيئات عبر غشاء واحد فقط. بالإضافة إلى ذلك، يتم نقل البروتينات إلى الشبكة باستخدام الآلية الافراج المستهدف(التفريغ المتجهي) - يبدأ عندما لا يكون البروتين قد غادر الريبوسوم بالكامل بعد (استيراد الترجمة المشتركة)،ويحدث الانتقال إلى الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء بعد اكتمال تخليق جزيء البروتين بالكامل (استيراد ما بعد الترجمة).

وعلى الرغم من هذه الاختلافات، ففي كلتا الحالتين تقوم الخلية بتصنيع بروتينات طليعية تحتوي على تسلسل إشارة يحدد الغشاء الذي يتم توجيه البروتين إليه. على ما يبدو، في كثير من الحالات يتم قطع هذا التسلسل من جزيء السلائف بعد الانتهاء من عملية النقل. ومع ذلك، يتم تصنيع بعض البروتينات على الفور في شكلها النهائي. من المعتقد أنه في مثل هذه الحالات يكون تسلسل الإشارة موجودًا في سلسلة البولي ببتيد للبروتين النهائي. لا تزال تسلسلات الإشارة غير مفهومة بشكل جيد، ولكن من المحتمل أن يكون هناك عدة أنواع من هذه التسلسلات، كل منها يحدد نقل جزيء البروتين إلى منطقة معينة من الخلية. على سبيل المثال، في الخلية النباتية، يتم بعد ذلك نقل بعض البروتينات، التي يبدأ تركيبها في العصارة الخلوية، إلى الميتوكوندريا، والبعض الآخر إلى البلاستيدات الخضراء، والبعض الآخر إلى البيروكسيسومات، والبعض الآخر إلى الشبكة الإندوبلازمية. العمليات المعقدة التي تؤدي إلى التوزيع الصحيح للبروتينات داخل الخلايا أصبحت الآن مفهومة.

بالإضافة إلى الأحماض النووية والبروتينات، هناك حاجة إلى الدهون لبناء الميتوكوندريا الجديدة. على عكس البلاستيدات الخضراء، تحصل الميتوكوندريا على معظم الدهون من الخارج. في الخلايا الحيوانية، يتم نقل الدهون الفوسفاتية المصنعة في الشبكة الإندوبلازمية إلى الغشاء الخارجي للميتوكوندريا باستخدام بروتينات خاصة ثم يتم دمجها في الغشاء الداخلي؛ ويعتقد أن هذا يحدث عند نقطة التلامس بين غشائين. رد الفعل الرئيسي للتخليق الحيوي للدهون، الذي تحفزه الميتوكوندريا نفسها، هو تحويل حمض الفوسفاتيديك إلى فسفوليبيد الكارديوليبين، والذي يوجد بشكل رئيسي في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ويمثل حوالي 20٪ من جميع الدهون فيه.

حجم وشكل جينومات الميتوكوندريا

حتى الآن، تمت قراءة أكثر من 100 جينوم مختلف للميتوكوندريا. تختلف مجموعة وعدد جيناتها في الحمض النووي للميتوكوندريا، والذي يتم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات فيه بشكل كامل، بشكل كبير بين الأنواع المختلفة من الحيوانات والنباتات والفطريات والأوالي. أكبر كميةالجينات الموجودة في جينوم الميتوكوندريا في الأوليات السوطية ريكتينومو ناس أمريكانا- 97 جينًا، بما في ذلك جميع جينات ترميز البروتين الموجودة في الحمض النووي الميتوكوندري للكائنات الحية الأخرى. في معظم الحيوانات العليا، يحتوي جينوم الميتوكوندريا على 37 جينًا: 13 لبروتينات السلسلة التنفسية، و22 للحمض الريبي النووي النقال واثنان للرنا الريباسي (للوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة 16S rRNA وللرنا الريباسي 12S الصغير). في النباتات والأوالي، على عكس الحيوانات ومعظم الفطريات، يقوم جينوم الميتوكوندريا أيضًا بتشفير بعض البروتينات التي تشكل الريبوسومات في هذه العضيات. يتم تشفير الإنزيمات الرئيسية لتخليق قالب متعدد النوكليوتيدات، مثل بوليميراز الحمض النووي (تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا) وبوليميراز الحمض النووي الريبي (الذي ينقل جينوم الميتوكوندريا)، في النواة ويتم تصنيعها على الريبوسومات في السيتوبلازم. تشير هذه الحقيقة إلى نسبية استقلالية الميتوكوندريا في التسلسل الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة.

تختلف جينومات الميتوكوندريا في الأنواع المختلفة ليس فقط في مجموعة الجينات وترتيب موقعها وتعبيرها، ولكن أيضًا في حجم وشكل الحمض النووي. الغالبية العظمى من جينومات الميتوكوندريا الموصوفة اليوم هي عبارة عن جزيئات الحمض النووي الدائرية ذات الملف المزدوج. في بعض النباتات، إلى جانب الأشكال الدائرية، هناك أيضًا أشكال خطية، وفي بعض الأوليات، مثل الهدبيات، يوجد الحمض النووي الخطي فقط في الميتوكوندريا.

كقاعدة عامة، تحتوي كل ميتوكوندريا على عدة نسخ من الجينوم الخاص بها. وهكذا، يوجد في خلايا الكبد البشرية حوالي 2 ألف ميتوكوندريا، ويحتوي كل منها على 10 جينومات متطابقة. يوجد في الخلايا الليفية للفئران 500 ميتوكوندريا تحتوي على جينومين، وفي خلايا الخميرة S. cerevisiae- ما يصل إلى 22 ميتوكوندريا، لكل منها أربعة جينومات.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" محاذاة = "يسار" العرض = "386 الارتفاع = 225" الارتفاع = "225"> الصورة 2.مخطط لتشكيل أوليجومرات خطية (A)، دائرية (B)، سلسلة (C) mtDNA. أوري هي المنطقة التي يبدأ فيها تكرار الحمض النووي.

يتراوح حجم جينوم الميتوكوندريا للكائنات الحية المختلفة من أقل من 6 آلاف زوج من النيوكليوتيدات في المتصورة المنجلية (بالإضافة إلى جينين rRNA، فهو يحتوي فقط على ثلاثة جينات مشفرة للبروتين) إلى مئات الآلاف من أزواج النيوكليوتيدات في النباتات البرية (للنباتات البرية). مثال، نبات الأرابيدوبسيس thalianaمن العائلة الصليبية 366924 زوجاً من النيوكليوتيدات). علاوة على ذلك، تم العثور على اختلافات بمقدار 7-8 أضعاف في حجم mtDNA للنباتات الأعلى حتى داخل نفس العائلة. يختلف طول mtDNA للفقاريات قليلاً: في البشر - 16569 زوجًا من النيوكليوتيدات، في الخنازير - 16350، في الدلافين - 16330، في الضفادع المخالب القيطم المورق- 17533، في الكارب - 16400. هذه الجينومات متشابهة أيضًا في توطين الجينات، ومعظمها يقع من طرف إلى طرف؛ بل إنها في بعض الحالات تتداخل، عادةً بواسطة نيوكليوتيد واحد، بحيث يكون النيوكليوتيد الأخير من أحد الجينات هو الأول في الجين التالي. على عكس الفقاريات، تحتوي النباتات والفطريات والأوالي على ما يصل إلى 80% من التسلسلات غير المشفرة. يختلف ترتيب الجينات في جينومات الميتوكوندريا بين الأنواع.

يؤدي التركيز العالي لأنواع الأكسجين التفاعلية في الميتوكوندريا ونظام الإصلاح الضعيف إلى زيادة تواتر طفرات mtDNA بترتيب من حيث الحجم مقارنة بالحمض النووي النووي. تسبب جذور الأكسجين بدائل محددة C®T (تمييع السيتوزين) وG®T (الضرر التأكسدي للجوانين)، ونتيجة لذلك من المحتمل أن يكون mtDNA غنيًا بأزواج AT. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع جميع mtDNAs بخاصية مثيرة للاهتمام - فهي لا يتم ميثليتها، على عكس الحمض النووي النووي وبدائيات النواة. من المعروف أن المثيلة (التعديل الكيميائي المؤقت لتسلسل النوكليوتيدات دون تعطيل وظيفة ترميز الحمض النووي) هي إحدى آليات تعطيل الجينات المبرمجة.

حجم وبنية جزيئات الحمض النووي في العضيات

	بناء	الوزن مليون دالتون	ملحوظات
أوهون دريا	الحيوانات	جرس		الجميع لديه ذلك نوع منفصلجميع الجزيئات لها نفس الحجم
أعلى را الوهن	جرس	يختلف	جميع الأنواع المدروسة لها حمض نووي دائري بأحجام مختلفة، حيث يتوافق المحتوى الإجمالي للمعلومات الوراثية مع كتلة تتراوح بين 300 إلى 1000 مليون دالتون، اعتمادًا على النوع.
الفطر: الكائنات الاوليه	جرس جرس جرس خطي
الكلور قسط stov	الأعشاب البحرية	جرس جرس
أعلى النباتات	جرس		وفي كل نوع على حدة، تم العثور على جزيئات من نوع واحد فقط

الكميات النسبية لعضيات الحمض النووي في بعض الخلايا والأنسجة

كائن حي	القماش أو نوع من الخلايا	عدد مول-لتر DNA/عضي-	عدد الأعضاء- نيل في قفص	حصة عضيات الحمض النووي في مجملها الحمض النووي للخلية،٪
أوهون دريا
	خلايا الخط L
	بيضة
الكلور قسط stov		الخلايا ثنائية الصبغية النباتية
حبوب ذرة

عمل جينوم الميتوكوندريا

ما الذي يميز آليات تكرار الحمض النووي ونسخ الميتوكوندريا في الثدييات؟

Complementary" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">تختلف السلاسل التكميلية في mtDNA بشكل كبير في الكثافة المحددة، لأنها تحتوي على كميات غير متساوية من البيورين "الثقيل" ونيوكليوتيدات البيريميدين "الخفيفة". تسمى. - سلسلة H (ثقيلة - ثقيلة) وسلسلة L (خفيفة - خفيفة). في بداية تكرار جزيء mtDNA، يتم تشكيل ما يسمى بحلقة D (من حلقة الإزاحة الإنجليزية). هذا الهيكل، مرئي في المجهر الإلكتروني، يتكون من مقاطع مزدوجة ومفردة (جزء متحرك من سلسلة H). ​​يتكون القسم المزدوج من جزء من سلسلة L وجزء مكمل من DNA تم تصنيعه حديثًا مع طول 450-650 (اعتمادًا على نوع الكائن الحي) من النيوكليوتيدات، مع 5"- نهاية التمهيدي الريبونوكليوتيد، والذي يتوافق مع نقطة البداية لتخليق السلسلة H (oriH). يبدأ تصنيع السلسلة L فقط عندما تصل السلسلة H الابنة إلى النقطة ori L. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن منطقة بدء تكرار السلسلة L لا يمكن الوصول إليها من قبل إنزيمات تخليق الحمض النووي إلا في سلسلة مفردة الحالة، وبالتالي، فقط في حالة الحلزون المزدوج غير المضفر أثناء تركيب السلسلة H. وهكذا، يتم تصنيع خيوط الحمض النووي للميتوكوندريا بشكل مستمر وغير متزامن (الشكل 3).

تين. 3.مخطط تكرار mtDNA للثدييات. أولاً، يتم تشكيل حلقة D، ثم يتم تصنيع سلسلة H الابنة، ثم يبدأ تركيب سلسلة L الابنة.

نهاية جين الرنا الريباسي 16S (الشكل 4). هناك 10 أضعاف هذه النصوص القصيرة مقارنة بالنصوص الطويلة. نتيجة للنضج (المعالجة)، فإنها تشكل الرنا الريباسي 12S و الرنا الريباسي 16S، والتي تشارك في تكوين ريبوسومات الميتوكوندريا، وكذلك الفينيل ألانين والحمض الريبي النووي النقال. يتم استئصال الـ tRNAs المتبقية من النسخ الطويلة ويتم تشكيل mRNAs المترجمة، إلى نهايات 3 "التي يتم ربط تسلسلات البولي أدينيل بها. لا يتم تغطية الأطراف 5" من هذه mRNAs، وهو أمر غير معتاد بالنسبة لحقيقيات النوى. لا يحدث الربط (الاندماج)، حيث لا تحتوي أي من جينات الميتوكوندريا في الثدييات على الإنترونات.

الشكل 4.نسخ الحمض النووي الميتوكوندري البشري الذي يحتوي على 37 جينًا. يبدأ تصنيع جميع النسخ في منطقة أوري H. ويتم استئصال الرنا الريباسي من نسخ حبلا H الطويلة والقصيرة. يتم تشكيل الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) والحمض النووي الريبوزي (mRNA) نتيجة للمعالجة من نسخ كلا شريطي الحمض النووي (DNA). يشار إلى جينات الحمض الريبي النووي النقال باللون الأخضر الفاتح.

هل تريد أن تعرف ما هي المفاجآت الأخرى التي يمكن أن يقدمها جينوم الميتوكوندريا؟ عظيم! واصل القراءة!..

المناطق الرائدة و"3" غير المشفرة، مثل معظم الرنا المرسال النووي. يحتوي عدد من الجينات أيضًا على إنترونات. وبالتالي، في صندوق الجين الذي يشفر السيتوكروم أوكسيديز ب، يوجد إنترونان. من نسخة الحمض النووي الريبي الأولية، يتم تحفيزها تلقائيًا (بدون مشاركة) من أي أو بروتينات) يتم قطع نسخة من معظم الإنترون الأول. يعمل الحمض النووي الريبي (RNA) المتبقي كقالب لتكوين إنزيم الماتوراز، الذي يشارك في عملية الربط. ويتم تشفير جزء من تسلسل الأحماض الأمينية في النسخ المتبقية. يقوم ماتوراز بقطعها، مما يؤدي إلى تدمير mRNA الخاص به، ويتم خياطة نسخ الإكسونات معًا، ويتم تشكيل mRNA لأكسيداز السيتوكروم ب (الشكل 5).أجبرنا اكتشاف هذه الظاهرة على إعادة النظر في فكرة الإنترونات باعتبارها "تسلسلات غير مشفرة."

الشكل 5.معالجة (نضوج) السيتوكروم أوكسيديز ب مرنا في الميتوكوندريا الخميرة. في المرحلة الأولى من الربط، يتم تشكيل mRNA، الذي يقوم بتجميع إنزيم maturase الضروري للمرحلة الثانية من الربط.

عند دراسة التعبير عن جينات الميتوكوندريا المثقبية البروسيةتم اكتشاف انحراف مفاجئ في إحدى البديهيات الأساسية للبيولوجيا الجزيئية، والتي تنص على أن تسلسل النيوكليوتيدات في الرنا المرسال يتوافق تمامًا مع ذلك الموجود في مناطق تشفير الحمض النووي. اتضح أن mRNA لإحدى الوحدات الفرعية لأكسيداز السيتوكروم سي يتم تحريره، أي بعد النسخ، يتغير هيكله الأساسي - يتم إدخال أربعة يوراسيل. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل mRNA جديد، والذي يعمل كمصفوفة لتخليق وحدة فرعية إضافية من الإنزيم، تسلسل الأحماض الأمينية الذي لا يوجد فيه أي شيء مشترك مع تسلسل الفيروسات والفطريات والنباتات والحيوانات. قارن الباحث بوريل بنية أحد جينات الميتوكوندريا في العجل مع تسلسل الأحماض الأمينية في الوحدة الفرعية لأكسيداز السيتوكروم المشفرة بهذا الجين، واتضح أن الشفرة الوراثية للميتوكوندريا في الماشية (وكذلك في البشر) لا تقتصر فقط على يختلف عن الكودون العالمي، فهو "مثالي"، أي أنه يطيع القاعدة التالية: "إذا كان هناك كودونان لهما نيوكليوتيدات متطابقة، والنيوكليوتيدات الثالثة تنتمي إلى نفس الفئة (البيورين - A، G، أو بيريميدين - U، C)، ثم يرمزون لنفس الحمض الأميني." في الكود العالمي هناك استثناءان لهذه القاعدة: رموز AUA الثلاثية للإيسولوسين، وكودون AUG للميثيونين، بينما في كود الميتوكوندريا المثالي يرمز كل من هذه التوائم الثلاثية للميثيونين. يقوم ثلاثي UGG بتشفير التربتوفان فقط، بينما يقوم ثلاثي UGA بتشفير كودون التوقف. في الكود العام، يتعلق كلا الانحرافين بالجوانب الأساسية لتخليق البروتين: كودون AUG هو الكودون البادئ، وكودون الإيقاف UGA يوقف تخليق متعدد الببتيد. الكود المثالي ليس متأصلًا في جميع الميتوكوندريا الموصوفة، لكن لا يوجد في أي منها رمز عالمي. يمكننا القول أن الميتوكوندريا تتحدث لغات مختلفة، ولكنها لا تتحدث أبدًا لغة النواة.

الاختلافات بين الشفرة الوراثية "العالمية" وشفرتي الميتوكوندريا

كودون	الميتوكوندريا كود الثدييات	الميتوكوندريا كود الخميرة	“ عالمي”

كما ذكرنا سابقًا، هناك 22 جينًا للحمض الريبي النووي النقال في جينوم الميتوكوندريا للفقاريات. كيف تخدم هذه المجموعة غير المكتملة جميع الكودونات الستين للأحماض الأمينية (في الكود المثالي المكون من 64 ثلاثية هناك أربعة كودونات توقف، وفي الكود العالمي هناك ثلاثة)؟ والحقيقة هي أنه أثناء تخليق البروتين في الميتوكوندريا، يتم تبسيط تفاعلات الكودون ومضاد الكودون - يتم استخدام اثنين من أصل ثلاثة نيوكليوتيدات مضادة للكودون للتعرف عليها. وهكذا، يتعرف الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) على جميع الأعضاء الأربعة لعائلة الكودون، ويختلف فقط في النوكليوتيدات الثالثة. على سبيل المثال، يقف الليوسين tRNA مع الكودون المضاد GAU على الريبوسوم المقابل للكودونات TsU وTsUC وTsUA وTsug، مما يضمن دمج الليوسين بشكل لا لبس فيه في سلسلة البولي ببتيد. يتم التعرف على كودونات الليوسين الأخرى، UUA وUUG، بواسطة tRNA مع الكودون المضاد AAU. في المجمل، تتعرف ثمانية جزيئات مختلفة من الحمض النووي الريبي (tRNA) على ثماني عائلات مكونة من أربعة كودونات لكل منها، ويتعرف 14 جزيئًا مختلفًا من الحمض النووي الريبوزي (tRNA) على أزواج مختلفة من الكودونات، كل منها يشفر حمضًا أمينيًا واحدًا.

من المهم أن يتم ترميز إنزيمات إنزيم أميناسيل-الحمض الريبي النووي النقال، المسؤولة عن إضافة الأحماض الأمينية إلى جزيئات الحمض الريبي النووي النقال المقابلة للميتوكوندريا، في نواة الخلية ويتم تصنيعها على ريبوسومات الشبكة الإندوبلازمية. وهكذا، في الفقاريات، يتم تشفير جميع مكونات البروتين لتخليق عديد الببتيد الميتوكوندريا في النواة. في هذه الحالة، لا يتم تثبيط تخليق البروتين في الميتوكوندريا بواسطة سيكلوهيكسيميد، الذي يمنع عمل الريبوسومات حقيقية النواة، ولكنه حساس للمضادات الحيوية الإريثروميسين والكلورامفينيكول، التي تمنع تخليق البروتين في البكتيريا. هذه الحقيقة بمثابة إحدى الحجج المؤيدة لأصل الميتوكوندريا من البكتيريا الهوائية أثناء التكوين التكافلي للخلايا حقيقية النواة.

أهمية وجود نظام وراثي خاص بك للميتوكوندريا

لماذا تحتاج الميتوكوندريا إلى نظامها الوراثي الخاص بها، في حين أن العضيات الأخرى، مثل البيروكسيسومات والليزوزومات، لا تفعل ذلك؟ وهذه المسألة ليست تافهة على الإطلاق، إذ إن الحفاظ على نظام وراثي منفصل أمر مكلف للخلية، نظرا للعدد المطلوب من الجينات الإضافية في الجينوم النووي. ينبغي هنا تشفير البروتينات الريبوسومية، ومركبات aminoacyl-tRNA، وبوليميرات DNA وRNA، وإنزيمات معالجة وتعديل RNA، وما إلى ذلك. وتختلف معظم البروتينات المدروسة من الميتوكوندريا في تسلسل الأحماض الأمينية عن نظيراتها من أجزاء أخرى من الخلية، وهناك وهذا سبب للاعتقاد بوجود عدد قليل جدًا من البروتينات في هذه الأعضاء والتي يمكن العثور عليها في مكان آخر. وهذا يعني أنه فقط للحفاظ على النظام الجيني للميتوكوندريا، يجب أن يحتوي الجينوم النووي على عشرات الجينات الإضافية. وأسباب هذا "الإسراف" غير واضحة، ولم يتحقق الأمل في العثور على الإجابة في تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي للميتوكوندريا. من الصعب أن نتخيل لماذا يجب بالضرورة أن يتم تصنيع البروتينات المتكونة في الميتوكوندريا هناك، وليس في العصارة الخلوية.

عادة، يتم تفسير وجود نظام وراثي في ​​عضيات الطاقة من خلال حقيقة أن بعض البروتينات المصنعة داخل العضية تكون كارهة للماء للغاية بحيث لا يمكنها المرور عبر غشاء الميتوكوندريا من الخارج. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات التي أجريت على مركب إنزيم ATP أن مثل هذا التفسير غير قابل للتصديق. على الرغم من أن الوحدات الفرعية الفردية للبروتين من إنزيم ATP يتم الحفاظ عليها بشكل كبير أثناء التطور، إلا أن مواقع تخليقها تتغير. في البلاستيدات الخضراء، يتم إنتاج العديد من البروتينات المحبة للماء إلى حد ما، بما في ذلك أربع من الوحدات الفرعية الخمس للجزء F1-ATPase من المجمع، على الريبوسومات داخل العضية. على العكس من ذلك، الفطر نيوروسبوراوفي الخلايا الحيوانية، يتم تصنيع مكون كاره للماء للغاية (الوحدة الفرعية 9) من الجزء الغشائي من ATPase على ريبوسومات السيتوبلازم وبعد ذلك فقط يمر إلى العضية. من الصعب تفسير التوطين المختلف للجينات التي تشفر الوحدات الفرعية للبروتينات المكافئة وظيفيًا في الكائنات الحية المختلفة باستخدام أي فرضية تفترض مزايا تطورية معينة للأنظمة الوراثية الحديثة للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

بالنظر إلى كل ما سبق، لا يمكننا إلا أن نفترض أن النظام الجيني للميتوكوندريا يمثل طريقًا تطوريًا مسدودًا. وفي إطار فرضية التعايش الداخلي، فإن هذا يعني أن عملية نقل جينات التعايش الداخلي إلى الجينوم النووي المضيف توقفت قبل أن تكتمل تمامًا.

الميراث السيتوبلازمي

تعتبر عواقب نقل الجينات السيتوبلازمية بالنسبة لبعض الحيوانات، بما في ذلك البشر، أكثر خطورة من تلك بالنسبة للخميرة. اثنين من خلايا الخميرة أحادية الصيغة الصبغية المندمجة لهما نفس الحجم وتساهمان بنفس الكمية من الحمض النووي للميتوكوندريا في الزيجوت الناتج. وهكذا، في الخميرة، يتم توريث جينوم الميتوكوندريا من كلا الوالدين، اللذين يساهمان بالتساوي في المجموعة الجينية للنسل (رغم أنه بعد عدة أجيال) متفرقغالبًا ما تحتوي النسل على ميتوكوندريا من نوع واحد فقط من الأنواع الأصلية). في المقابل، في الحيوانات العليا، تساهم البويضة بكمية من السيتوبلازم في الزيجوت أكثر من الحيوانات المنوية، وفي بعض الحيوانات قد لا يساهم الحيوان المنوي بالسيتوبلازم على الإطلاق. لذلك، يمكن للمرء أن يعتقد أنه في الحيوانات العليا، سيتم نقل جينوم الميتوكوندريا فقط من أحد الوالدين (أي عن طريق الأمخطوط)؛ وبالفعل تم تأكيد ذلك بالتجارب. اتضح، على سبيل المثال، أنه عند تهجين فئران من سلالتين معمليتين مع الحمض النووي للميتوكوندريا الذي يختلف قليلاً في تسلسل النيوكليوتيدات (النوعان A وB)، يتم الحصول على ذرية تحتوي على

تحتوي على DNA الميتوكوندريا من نوع الأم فقط.

الميراث السيتوبلازمي، على عكس الميراث النووي، لا يخضع لقوانين مندل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في الحيوانات والنباتات العليا، تحتوي الأمشاج من الجنسين المختلفين على كميات متباينة من الميتوكوندريا. لذلك، يوجد في بويضة الفأر 90 ألف ميتوكوندريا، ولكن في الحيوان المنوي يوجد أربعة فقط. ومن الواضح أن الميتوكوندريا في البويضة المخصبة هي في الغالب أو فقط من الأنثى، أي أن وراثة جميع جينات الميتوكوندريا هي من الأم. يعد التحليل الجيني للميراث السيتوبلازمي صعبًا بسبب التفاعلات النووية السيتوبلازمية. في حالة عقم الذكور السيتوبلازمي، يتفاعل جينوم الميتوكوندريا الطافر مع جينات نووية معينة، والتي تكون أليلاتها المتنحية ضرورية لتطوير السمة. الأليلات السائدة لهذه الجينات، سواء في الحالات المتجانسة أو غير المتجانسة، تستعيد خصوبة النبات، بغض النظر عن حالة جينوم الميتوكوندريا.

أود أن أتناول آلية وراثة الجينات للأم من خلال إعطاء مثال محدد. من أجل فهم آلية الوراثة غير المندلية (السيتوبلازمية) لجينات الميتوكوندريا بشكل نهائي ولا رجعة فيه، دعونا نفكر في ما يحدث لمثل هذه الجينات عندما تندمج خليتين فرديتين لتكوين زيجوت ثنائي الصيغة الصبغية. في الحالة التي تحمل فيها إحدى خلايا الخميرة طفرة تحدد مقاومة تخليق بروتين الميتوكوندريا للكلورامفينيكول، وتكون الخلية الأخرى، وهي خلية من النوع البري، حساسة لهذا المضاد الحيوي: يمكن التعرف على الجينات الطافرة بسهولة عن طريق زراعة الخميرة في وسط به والجليسرول، الذي يمكن أن تستخدمه فقط الخلايا التي تحتوي على الميتوكوندريا السليمة؛ ولذلك، في وجود الكلورامفينيكول، فإن الخلايا التي تحمل الجين الطافر فقط هي التي يمكنها النمو في مثل هذا الوسط. سوف يحتوي الزيجوت ثنائي الصيغة الصبغية لدينا في البداية على ميتوكوندريا متحولة وبرية. نتيجة للانقسام الفتيلي، سوف تتبرعم خلية ابنة ثنائية الصيغة الصبغية من اللاقحة، والتي ستحتوي فقط على عدد صغير من الميتوكوندريا. بعد عدة دورات انقسامية، ستتلقى إحدى الخلايا الجديدة في النهاية جميع الميتوكوندريا، سواء كانت من النوع الطافر أو البري. ولذلك، فإن كل نسل هذه الخلية سيكون لديه ميتوكوندريا متطابقة وراثيا. تسمى هذه العملية العشوائية، والتي ينتج عنها ذرية ثنائية الصيغة الصبغية تحتوي على الميتوكوندريا من نوع واحد فقط، الانقسام الفتيليذ حد ذاتهالجماعةذ. عندما تخضع خلية ثنائية الصبغية تحتوي على نوع واحد فقط من الميتوكوندريا للانقسام الاختزالي، تتلقى جميع الخلايا الصبغية الأربع التابعة نفس جينات الميتوكوندريا. ويسمى هذا النوع من الميراث com.nemendeأسد المقشودأو السيتوبلازميةعلى عكس الوراثة المندلية للجينات النووية. نقل الجينات السيتوبلازمية يعني أن الجينات قيد الدراسة موجودة في الميتوكوندريا.

إن دراسة جينومات الميتوكوندريا، وتطورها، الذي يتبع القوانين المحددة لعلم الوراثة السكانية، والعلاقات بين النظم الوراثية النووية والميتوكوندريا، ضرورية لفهم التنظيم الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة والكائن الحي ككل.

ترتبط بعض الأمراض الوراثية وشيخوخة الإنسان بطفرات معينة في الحمض النووي للميتوكوندريا أو في الجينات النووية التي تتحكم في وظيفة الميتوكوندريا. تتراكم البيانات حول تورط عيوب mtDNA في التسرطن. لذلك، قد تكون الميتوكوندريا هدفًا للعلاج الكيميائي للسرطان. هناك حقائق حول التفاعل الوثيق بين الجينومات النووية والميتوكوندريا في تطور عدد من الأمراض البشرية. تم العثور على عمليات حذف متعددة لـ mtDNA في المرضى الذين يعانون من ضعف شديد في العضلات، وترنح، وصمم، وتخلف عقلي، موروث بطريقة جسمية سائدة. تم تأسيس إزدواج الشكل الجنسي في الاعراض المتلازمةأمراض القلب التاجية، والتي على الأرجح بسبب تأثير الأم - الميراث السيتوبلازمي. إن تطوير العلاج الجيني يعطي الأمل في تصحيح العيوب في جينومات الميتوكوندريا في المستقبل المنظور.

كما هو معروف، من أجل التحقق من وظيفة أحد مكونات النظام متعدد المكونات، يصبح من الضروري التخلص من هذا المكون مع التحليل اللاحق للتغييرات التي حدثت. وبما أن موضوع هذا الملخص هو الإشارة إلى دور جينوم الأم في تطور النسل، فمن المنطقي التعرف على عواقب الاضطرابات في تكوين جينوم الميتوكوندريا الناجمة عن عوامل مختلفة. تبين أن أداة دراسة الدور المذكور أعلاه هي عملية الطفرة، وكانت عواقب عملها التي تهمنا هي ما يسمى. أمراض الميتوكوندريا.

تعد أمراض الميتوكوندريا مثالاً على الوراثة السيتوبلازمية لدى البشر، أو بتعبير أدق، "الوراثة العضية". ينبغي تقديم هذا التوضيح بسبب وجود، على الأقل في بعض الكائنات الحية، محددات وراثية السيتوبلازمية غير المرتبطة بالعضيات الخلوية - تم الآن إثبات مولدات الخلايا (-Vechtomov، 1996).

أمراض الميتوكوندريا هي مجموعة غير متجانسة من الأمراض الناجمة عن العيوب الوراثية والهيكلية والكيميائية الحيوية للميتوكوندريا وضعف تنفس الأنسجة. لإجراء التشخيص مرض الميتوكوندريايعد التحليل الأنساب والسريري والكيميائي الحيوي والمورفولوجي والجيني المعقد أمرًا مهمًا. العلامة البيوكيميائية الرئيسية لأمراض الميتوكوندريا هي تطور الحماض اللبني، وعادة ما يتم الكشف عن احماض الدم المفرطة اللبنيك مع احماض الدم المفرطة البيروفات. وبلغ عدد الخيارات المختلفة 120 استمارة. هناك زيادة ثابتة في تركيز أحماض اللاكتيك والبيروفيك في السائل النخاعي.

تمثل أمراض الميتوكوندريا (MD) مشكلة كبيرة للطب الحديث. وفقًا لطرق الانتقال الوراثي، تشمل الأمراض الوراثية الأمراض الموروثة أحادية المنشأ وفقًا للنوع المندلي، والتي، بسبب طفرة الجينات النووية، إما تتعطل بنية وعمل بروتينات الميتوكوندريا، أو التعبير عن تغيرات الحمض النووي للميتوكوندريا، أيضًا. كأمراض ناجمة عن طفرات في جينات الميتوكوندريا، والتي تنتقل بشكل رئيسي إلى النسل عبر خط الأم.

تشير البيانات المستمدة من الدراسات المورفولوجية إلى علم الأمراض الإجمالي للميتوكوندريا: الانتشار غير الطبيعي للميتوكوندريا، وتعدد أشكال الميتوكوندريا مع اضطراب الشكل والحجم، وعدم تنظيم الأعراف، وتراكمات الميتوكوندريا غير الطبيعية تحت غمد الليف العضلي، والشوائب شبه البلورية في الميتوكوندريا، ووجود فجوات بين الليفيات.

أشكال أمراض الميتوكوندريا

1 . أمراض الميتوكوندريا الناجمة عن الطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا

1.1.الأمراض الناجمة عن حذف الحمض النووي للميتوكوندريا

1.1.1. متلازمة كيرنز ساير

يظهر المرض في سن 4-18 سنة، شلل العين الخارجي التدريجي، التهاب الشبكية الصباغي، ترنح، رعاش مقصود، كتلة القلب الأذينية البطينية، زيادة مستويات البروتين في السائل النخاعي أكثر من 1 جم / لتر، ألياف حمراء "خشنة" في الهيكل العظمي. خزعات العضلات

1.1.2 متلازمة بيرسون

بداية المرض منذ الولادة أو في الأشهر الأولى من الحياة، وأحيانا تطور اعتلال دماغي، وترنح، والخرف، وشلل العين الخارجي التدريجي، وفقر الدم الناقص التنسج، والاضطراب وظيفة خارجية الإفرازالبنكرياس، بالطبع التقدمي

2 .الأمراض الناجمة عن الطفرات النقطية في الحمض النووي للميتوكوندريا

نوع الوراثة الأمومي، انخفاض حاد أو تحت حاد في حدة البصر في إحدى العينين أو كلتيهما، بالاشتراك مع الاضطرابات العصبية والعظمية المفصلية، اعتلال الأوعية الدقيقة في شبكية العين، مسار تدريجي مع إمكانية مغفرة أو استعادة حدة البصر، ظهور المرض في سن 20 عامًا -30 سنه

2.2 متلازمة NAPR (الاعتلال العصبي، الرنح، التهاب الشبكية الصباغي)

نوع وراثة الأم، مزيج من الاعتلال العصبي، الرنح والتهاب الشبكية الصباغي، تأخر النمو الحركي النفسي، الخرف، وجود ألياف حمراء "ممزقة" في خزعات الأنسجة العضلية

2.3 متلازمة MERRF (الرمع العضلي والصرع والألياف الحمراء "الممزقة")

نوع الوراثة لدى الأم، بداية المرض في سن 3-65 سنة، الصرع الرمع العضلي، الرنح، الخرف المتزامن مع الصمم الحسي العصبي، ضمور الأعصاب البصرية واضطرابات الحساسية العميقة، الحماض اللبني، فحوصات مخطط كهربية الدماغ تكشف عن صرع حمامي معمم المجمعات والألياف الحمراء "الخشنة" في خزعات العضلات الهيكلية، مسار تدريجي

2.4 متلازمة ميلاس (اعتلال دماغي ميتوكوندريا، الحماض اللبني، نوبات تشبه السكتة الدماغية)

نوع وراثة الأم، ظهور المرض قبل سن الأربعين، عدم تحمل التمارين الرياضية، الصداع النصفي مع الغثيان والقيء، نوبات تشبه السكتة الدماغية، التشنجات، الحماض اللبني، ألياف حمراء "خشنة" في خزعات العضلات، مسار تدريجي.

3 .الباثولوجيا المرتبطة بالعيوب في التواصل بين الجينوم

3.1.متلازمات حذف الحمض النووي المتعددة للميتوكوندريا

تدلي الجفن، شلل العين الخارجي، ضعف العضلات، الصمم الحسي العصبي، ضمور العصب البصري، الدورة التدريجية، الألياف الحمراء "الممزقة" في خزعات العضلات الهيكلية، انخفاض نشاط إنزيمات السلسلة التنفسية.

3.2 متلازمة حذف الحمض النووي للميتوكوندريا

طريقة وراثية متنحية من الميراث

الأشكال السريرية:

3.2.1.طفولية قاتلة

أ) فشل الكبد الحاد ب) اعتلال الكبد ج) انخفاض ضغط الدم العضلي

لاول مرة في فترة حديثي الولادة

3.2.2.اعتلال عضلي خلقي

ضعف شديد في العضلات، انخفاض ضغط الدم العام، اعتلال عضلة القلب والتشنجات، تلف الكلى، البيلة السكرية، اعتلال الأمينية الحمضية، بيلة فوسفاتية

3.2.3.اعتلال عضلي عند الأطفال

يحدث في أول عامين من الحياة، وضعف عضلي تدريجي، وضمور مجموعات العضلات القريبة، وفقدان ردود الفعل الوترية، وتطور سريع، والوفاة في السنوات الثلاث الأولى من الحياة.

4 أمراض الميتوكوندريا الناجمة عن طفرات الحمض النووي النووي

4.1.الأمراض المرتبطة بعيوب في السلسلة التنفسية

4.1.1.نقص المركب 1 (NADH: إنزيم CoQ المختزل)

بداية المرض قبل سن 15 عامًا، متلازمة الاعتلال العضلي، تأخر النمو الحركي النفسي، اضطرابات الجهاز القلبي الوعائي، التشنجات المقاومة للعلاج، الاضطرابات العصبية المتعددة، المسار التدريجي

4.1.2.نقص المركب 2 (اختزال السكسينات-CoQ)

تتميز بمتلازمة اعتلال الدماغ، الدورة التدريجية، النوبات، التطور المحتمل لتدلي الجفون

4.1.3. نقص المركب 3 (CoQ-cytochrome C oxyreductase)

اضطرابات الأجهزة المتعددة، وتلف الأعضاء والأنظمة المختلفة، بما في ذلك الجهاز المركزي والطرفي الجهاز العصبي، نظام الغدد الصماء، الكلى، الدورة التقدمية

4.1.4.النقص المركب (السيتوكروم سي أوكسيديز)

4.1.4.1.الحماض اللبني الخلقي عند الأطفال المميت

اعتلال عضلي الميتوكوندريا مع الفشل الكلوي أو اعتلال عضلة القلب، بداية في سن حديثي الولادة، اضطرابات الجهاز التنفسي الحادة، انخفاض ضغط الدم المنتشر في العضلات، مسار تدريجي، الوفاة في السنة الأولى من الحياة.

4.1.4.2.ضعف العضلات الحميد عند الأطفال

الضمور، مع العلاج المناسب وفي الوقت المناسب، من الممكن تحقيق الاستقرار السريع للعملية والشفاء لمدة 1-3 سنوات من الحياة

5 متلازمة مينكس (الحثل المشعري)

تأخر حاد في النمو الحركي النفسي، وتوقف النمو، وضعف النمو والتغيرات التصنعية في الشعر،

6 . اعتلال الدماغ الدماغي الميتوكوندريا

6.1.متلازمة لي(اعتلال الدماغ النخاعي العصبي تحت الحاد)

يظهر بعد 6 أشهر من الحياة، نقص التوتر العضلي، ترنح، رأرأة، أعراض هرمية، شلل العين، ضمور العصب البصري، إضافة إلى اعتلال عضلة القلب والحماض الأيضي الخفيف.

6.2.متلازمة ألبرس(الحثل المتعدد المصلب التدريجي)

تنكس المادة الرمادية في الدماغ مع تليف الكبد، ونقص مركب 5 (ATP Synthetase)، وتأخر التطور الحركي النفسي، وترنح، والخرف، وضعف العضلات، والمسار التدريجي للمرض، والتشخيص غير المواتي

6.3 نقص الإنزيم المساعد-Q

الأزمات الأيضية، وضعف العضلات والتعب، وشلل العين، والصمم، وانخفاض الرؤية، والنوبات الشبيهة بالسكتة الدماغية، وترنح، والصرع الرمع العضلي، وتلف الكلى: بيلة الجلوكوز، اعتلال أميني، بيلة فوسفاتية، اضطرابات الغدد الصماء، مسار تدريجي، انخفاض نشاط إنزيمات السلسلة التنفسية.

7 .الأمراض المصاحبة للاضطرابات الاستقلابية لأحماض اللاكتيك والبيروفيك

7.1 نقص كربوكسيلاز البيروفات نوع وراثي جسمي متنحي، بداية المرض في فترة حديثي الولادة، مجمع أعراض "الطفل الرخو"، التشنجات المقاومة للعلاج، تركيزات عالية أجسام خلونيةفي الدم، فرط أمونيا الدم، فرط سكر الدم، انخفاض نشاط كربوكسيلاز البيروفات في العضلات الهيكلية

7.2 نقص هيدروجيناز البيروفات

المظاهر في فترة حديثي الولادة، خلل التشوه القحفي الوجهي، التشنجات المقاومة للعلاج، اضطرابات التنفس والمص، مجمع أعراض "الطفل الرخو"، خلل التنسج الدماغي، الحماض الشديد مع مستويات عالية من اللاكتات والبيروفات

7.3.انخفاض نشاط هيدروجيناز البيروفات

بداية في السنة الأولى من الحياة، صغر الرأس، تأخر النمو الحركي النفسي، ترنح، خلل التوتر العضلي، الكنح الرقصي، الحماض اللبني مع نسبة عالية من البيروفات

7.4. نقص ثنائي هيدروليبويل ترانساسيتيلاز

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ظهور المرض في فترة ما بعد الولادة، صغر الرأس، تأخر التطور الحركي النفسي، نقص التوتر العضلي مع زيادة لاحقة في قوة العضلات، ضمور القرص البصري، الحماض اللبني، انخفاض نشاط ثنائي هيدروليبويل ترانس-أسيتيلاز.

7.5 نقص ثنائي هيدروليبويل ديهيدروجينيز

نوع وراثي متنحي من الميراث، ظهور المرض في السنة الأولى من الحياة، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، أزمات خلل التمثيل الغذائي مع القيء والإسهال، تأخر النمو الحركي النفسي، ضمور الأقراص البصرية، الحماض اللبني، زيادة مستويات ألانين في مصل الدم، ألفا-كيتوجلوتارات، أحماض ألفا-كيتو متفرعة السلسلة، انخفاض نشاط هيدروجيناز ثنائي هيدروليبويل

8 .الأمراض الناجمة عن عيوب أكسدة بيتا الأحماض الدهنية

8.1.نقص هيدروجيناز الأسيتيل-CoA طويل السلسلة الكربونية

نوع وراثي متنحي من الوراثة، ظهور المرض في الأشهر الأولى من الحياة، أزمات استقلابية مع القيء والإسهال، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، نقص السكر في الدم، بيلة حمضية ثنائية الكربوكسيل، انخفاض نشاط هيدروجيناز أسيتيل CoA من الدهون طويلة السلسلة الكربونية الأحماض

8.2 نقص هيدروجيناز أسيتيل CoA متوسط ​​الكربون

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ظهور المرض في فترة حديثي الولادة أو الأشهر الأولى من الحياة، الأزمات الأيضية مع القيء والإسهال،

ضعف العضلات وانخفاض ضغط الدم، وغالبًا ما تتطور متلازمة الموت المفاجئ، ونقص السكر في الدم، والبيلة الحمضية ثنائية الكربوكسيل، وانخفاض نشاط هيدروجيناز أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة الكربونية.

8.3. نقص هيدروجيناز الأسيتيل-CoA من الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة

نوع جسمي متنحي من الميراث، وعمر مختلف لظهور المرض، وانخفاض التسامح النشاط البدني، أزمات استقلابية مع القيء والإسهال، وضعف العضلات وانخفاض ضغط الدم، وزيادة إفراز حمض الميثيل سوتشينيك في البول، ونازعة هيدروجين أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة الكربونية.

8.4. النقص المتعدد في نازعة هيدروجين الأسيتيل-CoA للأحماض الدهنية

شكل حديثي الولادة: خلل التشوه القحفي الوجهي، خلل التنسج الدماغي، نقص السكر في الدم الشديد والحماض، بالطبع الخبيث، انخفاض نشاط جميع نازعة هيدروجين أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية،

الشكل الطفولي:أعراض "الطفل الرخو" المعقدة، اعتلال عضلة القلب، الأزمات الأيضية، نقص السكر في الدم والحماض

8.5.انخفاض نشاط جميع نازعات هيدروجين الأسيتيل-CoA من الأحماض الدهنية

شكل الظهور المتأخر:تكون النوبات الدورية لضعف العضلات والأزمات الأيضية ونقص السكر في الدم والحماض أقل وضوحًا، ويتم الحفاظ على الذكاء،

9 .الاعتلالات الأنزيمية في دورة كريبس

9.1 نقص فوماراز

نوع وراثي جسمي متنحي، بداية المرض في فترة حديثي الولادة أو حديثي الولادة، صغر الرأس، ضعف العضلات العام وانخفاض ضغط الدم، نوبات الخمول، اعتلال الدماغ سريع التقدم، سوء التشخيص

9.2 نقص هيدروجيناز السكسينات

مرض نادر يتميز باعتلال دماغي تقدمي

9.3 نقص هيدروجيناز ألفا كيتوجلوتارات

نوع وراثي جسمي متنحي من الوراثة، بداية المرض عند الأطفال حديثي الولادة، صغر الرأس، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، نوبات من الخمول، الحماض اللبني، مسار تقدمي سريع، انخفاض محتوى إنزيمات دورة كريبس في الأنسجة

9.4.متلازمات نقص الكارنيتين وإنزيمات استقلابه

نقص كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -1، نوع وراثي جسمي متنحي من الوراثة، بداية مبكرة للمرض، نوبات من غيبوبة نقص السكر في الدم غير الكيتونية، تضخم الكبد، فرط ثلاثي جليسريد الدم وفرط أمونيا الدم المعتدل، انخفاض نشاط كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -1 في الخلايا الليفية وخلايا الكبد

9.5 نقص كارنيتين أسيل كارنيتين ترانزلوكاز

البداية المبكرة للمرض، واضطرابات القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي، وأعراض "الطفل الرخو"، ونوبات الخمول والغيبوبة، وزيادة تركيزات استرات الكارنيتين وسلاسل الكربون الطويلة على خلفية انخفاض الكارنيتين الحر في مصل الدم، وانخفاض النشاط من كارنيتين أسيل كارنيتين ترانزلوكاز

9.6 نقص كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -2

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ضعف العضلات، ألم عضلي، بيلة عضلية، انخفاض نشاط كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -2 في العضلات الهيكلية

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، أعراض عضلية معقدة، نوبات من الخمول والخمول، اعتلال عضلة القلب، نوبات نقص السكر في الدم، انخفاض مستويات الكارنيتين في الدم وزيادة إفراز البول.

بعد تحليل هذه القائمة "الرهيبة" من الأمراض المرتبطة بتغييرات معينة في عمل جينوم الميتوكوندريا (وليس فقط)، تبرز بعض الأسئلة. ما هي منتجات جينات الميتوكوندريا وفي أي العمليات الخلوية فائقة الحيوية تشارك؟

كما اتضح فيما بعد، يمكن أن تحدث بعض الأمراض المذكورة أعلاه بسبب الاضطرابات في تخليق 7 وحدات فرعية من مجمع هيدروجيناز NADH، ووحدتين فرعيتين من إنزيم ATP، و3 وحدات فرعية من أوكسيديز السيتوكروم سي ووحدة فرعية واحدة من اختزال يوبيكوينول-سيتوكروم سي (السيتوكروم). ب) وهي المنتجات الجينية للميتوكوندريا. وبناءً على ذلك، يمكننا أن نستنتج أن هذه البروتينات لها دور رئيسي في عمليات التنفس الخلوي، وأكسدة الأحماض الدهنية وتخليق ATP، ونقل الإلكترون في نظام نقل الإلكترون للغشاء MT الداخلي، وعمل نظام مضادات الأكسدة، وما إلى ذلك.

انطلاقا من أحدث البيانات حول آليات موت الخلايا المبرمج، توصل العديد من العلماء إلى استنتاج مفاده أن هناك مركزا للتحكم في موت الخلايا المبرمج...

كما ظهر دور بروتينات الميتوكوندريا في استخدام المضادات الحيوية التي تمنع تخليق الميتوكوندريا. إذا عولجت الخلايا البشرية في زراعة الأنسجة بمضاد حيوي، مثل التتراسيكلين أو الكلورامفينيكول، فسوف يتوقف نموها بعد انقسام واحد أو اثنين. ويرجع ذلك إلى تثبيط تخليق بروتين الميتوكوندريا، مما يؤدي إلى ظهور الميتوكوندريا المعيبة، ونتيجة لذلك، عدم كفاية تكوين ATP. لماذا إذن يمكن استخدام المضادات الحيوية لعلاج الالتهابات البكتيرية؟ هناك العديد من الاجابات لهذا السؤال:

1. بعض المضادات الحيوية (مثل الإريثروميسين) لا تمر عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا في الثدييات.

2. معظم الخلايا في جسمنا لا تنقسم أو تنقسم ببطء شديد، وبالتالي فإن استبدال الميتوكوندريا الموجودة بأخرى جديدة يحدث ببطء مماثل (في العديد من الأنسجة، يتم استبدال نصف الميتوكوندريا في حوالي خمسة أيام أو حتى لفترة أطول). وبالتالي، فإن عدد الميتوكوندريا الطبيعية سوف ينخفض ​​إلى مستوى حرج فقط إذا تم الحفاظ على الحصار المفروض على تخليق بروتين الميتوكوندريا لعدة أيام.

3. تمنع حالات معينة داخل الأنسجة بعض الأدوية من دخول الميتوكوندريا في الخلايا الأكثر حساسية. على سبيل المثال، يؤدي التركيز العالي من Ca2+ في نخاع العظم إلى تكوين مركب Ca2+-tetracycline، الذي لا يستطيع اختراق سلائف خلايا الدم سريعة الانقسام (وبالتالي الأكثر عرضة للخطر).

هذه العوامل تجعل من الممكن استخدام بعض الأدوية التي تمنع تخليق بروتين الميتوكوندريا كمضادات حيوية في علاج الحيوانات العليا. يتم توفير اثنين فقط من هذه الأدوية أثر جانبي: العلاج طويل الأمد بجرعات كبيرة من الكلورامفينيكول يمكن أن يؤدي إلى ضعف وظيفة المكونة للدم نخاع العظم(قمع تكوين خلايا الدم الحمراء والكريات البيض)، واستخدام التتراسيكلين على المدى الطويل يؤدي إلى تلف ظهارة الأمعاء. ولكن في كلتا الحالتين ليس من الواضح بعد ما إذا كانت هذه الأمور آثار جانبيةالحصار على التكاثر الحيوي للميتوكوندريا أو بعض الأسباب الأخرى.

خاتمة

السمات الهيكلية والوظيفية لجينوم طن متري هي كما يلي. أولاً، ثبت أن الحمض النووي الميتوكوندري ينتقل من الأم إلى جميع أفرادها

نسلها ومن بناتها إلى جميع الأجيال اللاحقة، أما الأبناء فلا ينقلون حمضهم النووي (ميراث الأم). شخصية الأم

من المحتمل أن يرتبط وراثة mtDNA بحالتين: إما أن تكون نسبة mtDNA الأبوية صغيرة جدًا (لا تنتقل عبر الخط الأبوي)

أكثر من جزيء DNA واحد لكل 25 ألف من DNA mtDNA الأمومي)، بحيث لا يمكن اكتشافها بالطرق الحالية، أو بعد الإخصاب يتم حظر تكرار الميتوكوندريا الأبوية. ثانيًا، غياب التباين التجميعي - ينتمي mtDNA إلى أحد الوالدين فقط، وبالتالي فإن أحداث إعادة التركيب المميزة للحمض النووي النووي في الانقسام الاختزالي غائبة، ويتغير تسلسل النوكليوتيدات من جيل إلى جيل فقط بسبب الطفرات. ثالثًا، لا يحتوي mtDNA على إنترونات

(احتمال كبير أن تؤثر طفرة عشوائية على منطقة ترميز الحمض النووي)، والهستونات الواقية ونظام إصلاح الحمض النووي الفعال - كل هذا يحدد معدل طفرة أعلى بعشر مرات من الحمض النووي النووي. رابعا، يمكن أن يتعايش دنا الميتوكوندريا الطبيعي والمتحول في نفس الوقت داخل نفس الخلية - وهي ظاهرة البلازما المتغايرة (يُطلق على وجود دنا الميتوكوندريا الطبيعي أو المتحول فقط اسم التماثل المتماثل). أخيرًا، يتم نسخ كلتا السلسلتين وترجمتهما في mtDNA، وفي عدد من الخصائص، يختلف الرمز الجيني لـ mtDNA عن الكود العالمي (UGA يشفر التربتوفان، AUA يشفر الميثيونين، AGA وAGG متوقفان).

الكودونات).

هذه الخصائص والوظائف المذكورة أعلاه لجينوم mt جعلت من دراسة تباين تسلسل نيوكليوتيدات mtDNA أداة لا تقدر بثمن للأطباء وعلماء الطب الشرعي وعلماء الأحياء التطورية،

ممثلي العلوم التاريخية في حل مشاكلهم المحددة.

منذ عام 1988، عندما تم اكتشاف أن طفرات جين mtDNA تكمن وراء اعتلال عضلي الميتوكوندريا (J. Y. Holt et al.، 1988) والاعتلال العصبي البصري الوراثي لليبر (D. C. Wallace، 1988)، أدى التحديد المنهجي الإضافي للطفرات في جينوم mt البشري إلى تكوين مفهوم أمراض الميتوكوندريا (MD). حاليًا، تم اكتشاف طفرات mtDNA المرضية في كل نوع من جينات الميتوكوندريا.

فهرس

1. سكولاشيف، الميتوكوندريا والأكسجين، سوروس. تعليم مجلة

2. أساسيات الكيمياء الحيوية: في ثلاثة مجلدات، م: مير، .

3. نيكولز دي جي الطاقة الحيوية، مقدمة. إلى الكيمياء. ث.، أكاد. الصحافة، 1982.

4. سترير إل. الكيمياء الحيوية، الطبعة الثانية. سان فرانسيسكو، فريمان، 1981.

5. الأغشية البيولوجية سكولاشيف. م، 1989.

6. شبكة تشينتسوف: البنية وبعض الوظائف // نتائج العلوم. المشاكل العامة لعلم الأحياء. 1989

7. علم الخلايا تشينتسوف. م: دار النشر جامعة موسكو الحكومية، 1995

8. , نطاق اختصاص جينوم الميتوكوندريا // فيستن. RAMS، 2001. ‹ 10. ص 31-43.

9. Holt I. J.، Harding A. E.، Morgan-Hughes I. A. حذف الحمض النووي للميتوكوندريا العضلية في المرضى الذين يعانون من اعتلال عضلي الميتوكوندريا. طبيعة 1988، 331: 717-719.

10. وإلخ.الجينوم البشري وجينات الاستعداد. سانت بطرسبرغ، 2000

11. , جينوم الميتوكوندريا. نوفوسيبيرسك، 1990.

12. // سوروس. تعليم مجلة 1999. رقم 10. ص11-17.

13. دور التكافل في تطور الخلية. م، 1983.

14. // سوروس. تعليم مجلة 1998. رقم 8. ص2-7.

15. // سوروس. تعليم مجلة 2000. رقم 1. ص32-36.

كييف جامعة وطنيةهم. تاراس شيفتشينكو

قسم الأحياء

مقال

حول موضوع:

"دور جينوم الأم في تطور النسل"

معهناكهnta رابعادورة

قسم الكيمياء الحيوية

فرولوفا أرتيما

كييف 2004

يخطط:

مقدمة................................................. ..............................1

النظرية التكافلية لأصل الميتوكوندريا......2

دور نواة الخلية في النشوء الحيوي للميتوكوندريا .......................................... ..........5

أنظمة نقل الميتوكوندريا ........................................... .................. ......7

حجم وشكل جينومات الميتوكوندريا................................................10

عمل جينوم الميتوكوندريا......14

أهمية وجود نظام وراثي خاص بها للميتوكوندريا ........................................... .......................... ................................... 19

الميراث السيتوبلازمي................................................20