Будова нукленієвих кислот.
Н.к.- є універсальною інформаційною макромолекулою клітини, головною функцією якої є: 1) Зберігання спадкової інформації у формі генетичного коду. 2) Відтворення спадкової інформації шляхом самоподвоєння чи реплікації ДНК. 3) Реалізація спадкової інформації у процесі біосинтезу білка. Н. до. вперше були отримані з ядер клітин гною. Хімічний аналіз показав що існує два види н к: 1) ДНК, 2) РНК. ДНК виявлені в ядрі, мітохондріях та центріолях. РНК виявлені в ядрі, в ядерцях, рибосомах, в мітохондріях. У хімічному відношенні н до – полімери, що складаються з полінуклеотидних ланцюгів, мономером н.к. яв-ся - нуклеотид. У ДНК їх 4 види: А, Т, Г, Ц. У РНК замість Тіміна - Урацил. За структурою Аденін та Гуанін пуринові основи
Властивості та функції ДНК.
Хімічний аналіз показав що існує два види н к: 1) ДНК, 2) РНК. ДНК виявлені в ядрі, мітохондріях та центріолях. РНК виявлені в ядрі, в ядерцях, рибосомах, в мітохондріях. У хімічному відношенні н до – полімери, що складаються з полінуклеотидних ланцюгів, мономером н.к. яв-ся - нуклеотид. У ДНК їх 4 види: А, Т, Г, Ц. У РНК замість Тіміна - Урацил. За структурою Аденін та Гуанін пуринові основи
1 бензольна кільце) Т,Ц,У(піримідинові підстави - 2 бензольних кільця). ДНК являє собою спіраль, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів. Полінуклеотидні ланцюги складаються з нуклеотидів з'єднаних один з одним завдяки водневим зв'язкам, які формують комплементарні пари. У ДНК А = Т, Г = Ц (Правило Чаргаффа 1951). Нуклеотиди в кожному ланцюзі ДНК між собою з'єднані так, що 5-ий вуглець цукру попереднього нуклеотиду з'єднаний з 3-м вуглецем цукру наступного. Завдяки таким зв'язкам молекула ДНК має два кінці. Діаметр спіралі ЛНК 2нм. Один оберт спіралі 3,4 нм. Відстань між нуклеотидами 0,34 нм. Кожен виток спіралі містить 10 пар нуклеотидів. У ДНК розрізняють кілька рівнів організації: 1) Первинна структура – це порядок розташування нуклеотидів у комплементарних ланцюгах. 2)Вторинна структура - подвійна спіраль ДНК. 3) Третична - ДНК у складі хромосом.
Особливості будови мітохондріальної ДНК.
Мітохондріальна ДНК (мтДНК) – ДНК, локалізована (на відміну від ядерної ДНК) у мітохондріях, органоїдах еукаріотичних клітин.
Більшість вивчених організмів мітохондрії містять лише кільцеві молекули ДНК, в деяких рослин одночасно присутні і кільцеві, і лінійні молекули, а й у ряду протистів (наприклад, інфузорій) є лише лінійні молекули. Мітохондрії ссавців зазвичай містять від двох до десяти ідентичних копій кільцевих молекул ДНК. У рослин кожна мітохондрія містить декілька молекул ДНК різного розміру, які здатні до рекомбінації. ) довжиною близько 21 т.п.о. та міні-кільця (20 000 - 55 000 штук, близько 300 різновидів, середня довжина близько 1000 п.о.). Усі кільця з'єднані в єдину мережу (катенани), яка руйнується та відновлюється при кожному циклі реплікації. Максі-кільця гомологічні мітохондріальній ДНК інших організмів. Кожне міні-кільце містить чотири подібні консервативні ділянки та чотири унікальні гіперваріабельні ділянки. У міні-кільцях закодовані короткі молекули направляючих РНК (guideRNA), які здійснюють редагування РНК, що транскрибуються з генів максі-кілець. Мітохондріальна ДНК (мтДНК) є геном клітинних органел - мітохондрій. Ендосимбіотичне походження цих органел зумовлює напівавтономне існування генетичної системи мітохондрій. Так, синтез ДНК у мітохондріях проходить незалежно від синтезу ДНК ядерної, а успадкування цієї цитоплазматичної генетичної структури – мітохондріальної хромосоми – відбувається в нормі строго по материнській лінії. Це дає авторам підставу умовно виділити сукупність мітохондріальних генів і будь-яких фрагментів мтДНК, що реплікуються, в окремий генетичний ресурс популяції - мітохондріальний генофонд. ДНК-місткі структури в мітохондріях були виявлені в 60-х роках. За останні чверть століття детально вивчено структурну та функціональну організацію мітохондріального геному людини та багатьох видів тварин. Мітохондріальна хромосома представлена кільцевою дволанцюжковою молекулою ДНК, яка присутня в органелі у вигляді ковалентно замкнутої суперспіралізованої форми, асоційованої з внутрішньою мембраною мітохондрії. Кожна органела містить від 1 до 8 молекул ДНК, що становить 1000 – 8000 копій на клітину. Як правило, один організм має єдину форму мтДНК, тобто. одним гаплотипом, успадкованим по материнській лінії.
Типи РНК у клітинах.
У клітинах розрізняють три типи РНК: 1) І-РНК (матрична або інформаційна РНК).
2) Р-РНК (рибосомна РНК).
3) Т-РНК (транспортна РНК)
Матрична РНК – синтезується та транскрибується на ДНК та несе інформацію для синтезу білка. Р-РНК та Т-РНК – синтезуються в ядерцях ядра. Ядрішко - це ділянка хромосом, що має супутники. Ядерцева ДНК містить гени, на яких синтезуються Р-РНК і Т-РНК. Р-РНК знаходяться в рибосомах (у малій і великій субодиниці). Призначення: через малу субодиницю АК приєднується до Т-РНК через АТФ. Відмінність ДНК від РНК: 1) РНК складається з одного ланцюга. 2) У РНК цукор - рибоза. 3) РНК коротше ніж ДНК. 4) Т-РНК має форму третинної структури. Матрична (інформаційна) РНК - РНК, яка є посередником при передачі інформації, закодованої в ДНК до рибосом, молекулярних машин, що синтезують білки живого організму. Кодуюча послідовність мРНК визначає послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга білка
Транспортні (тРНК) – малі, що складаються з приблизно 80 нуклеотидів, молекули з консервативною третинною структурою. Вони переносять специфічні амінокислоти на місце синтезу пептидного зв'язку в рибосомі. Кожна тРНК містить ділянку для приєднання амінокислоти та антикодон для впізнавання та приєднання до кодонів мРНК. Рибосомальна РНК (рРНК) - каталітична складова рибосом. Еукаріотичні рибосоми містять чотири типи молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S та 5S. Три з чотирьох типів рРНК синтезуються в ядерці. У цитоплазмі рибосомальні РНК з'єднуються з рибосомальними білками і формують нуклеопротеїн, який називають рибосомою. Рибосома приєднується до мРНК та синтезує білок. рРНК становить до 80% РНК, що виявляється в цитоплазмі еукаріотичної клітини
Що таке мітохондріальна ДНК?
Мітохондріальна ДНК (мтДНК) - являє собою ДНК, розташовану в мітохондріях, клітинних органелах усередині еукаріотичних клітин, які перетворюють хімічну енергію з їжі в тій формі, в якій клітини можуть її використовувати - аденозинтрифосфат (АТФ). Мітохондріальна ДНК є лише невеликою частиною ДНК в еукаріотичній клітині; більшу частину ДНК можна виявити в ядрі клітини, рослин і водоростей, а також у пластидах, таких як хлоропласти.
У людей 16569 пар основ мітохондріальної ДНК кодують лише 37 генів. Людська мітохондріальна ДНК була першою значною частиною геному людини, що підлягає секвенуванню. Більшість видів, включаючи людей, мтДНК успадковується лише з матері.
Оскільки мтДНК тварин розвивається швидше, ніж ядерні генетичні маркери, вона є основою філогенетики та еволюційної біології. Це стало важливим пунктом в антропології та біогеографії, оскільки дозволяє вивчати взаємозв'язок популяцій.
Гіпотези походження мітохондрій
Ядерна та мітохондріальна ДНК, як вважають, має різне еволюційне походження, причому мтДНК виведена з кільцевих геномів бактерій, поглинених ранніми предками сучасних еукаріотичних клітин. Ця теорія називається ендосимбіотичною теорією. За оцінками, кожна мітохондрія містить копії 2-10 мтДНК. У клітинах існуючих організмів переважна більшість білків, присутніх у мітохондріях (чисельність близько 1500 різних типів у ссавців) кодуються ядерною ДНК, але гени для деяких з них, якщо не більшість, вважаються спочатку бактеріальними, відтоді вони були перенесені в еукаріотичне ядро. під час еволюції.
Обговорюються причини, через які мітохондрії зберігають деякі гени. Існування у деяких видів мітохондріального походження органел, які не мають геному, дозволяє припускати, що можлива повна втрата гена, а перенесення мітохондріальних генів у ядро має ряд переваг. Труднощі орієнтації дистанційно вироблених гідрофобних білкових продуктів у мітохондріях є однією з гіпотез чому деякі гени зберігаються в мтДНК. Спільна локалізація для окислювально-відновного регулювання є іншою теорією, посилаючись на бажаність локалізованого контролю за мітохондріальними механізмами. Недавній аналіз широкого спектра мітохондріальних геномів передбачає, що ці функції можуть диктувати утримання мітохондріального гена.
Генетична експертиза МТДНК
У більшості багатоклітинних організмів мтДНК успадковується від матері (по материнській лінії). Для цього механізми включають просте розведення (яйце містить у середньому 200000 молекул мтДНК, тоді як здорова сперма людини містить у середньому 5 молекул), деградацію сперми мтДНК у чоловічих статевих шляхах, у заплідненій яйцеклітині, і, принаймні, у кількох організмах, нездатність мтДНК сперми проникати у яйце. Яким би не був механізм, це однополярне успадкування – успадкування мтДНК, яке зустрічається у більшості тварин, рослин та грибів.
Спадкування по материнській лінії
При статевому розмноженні мітохондрії зазвичай успадковані виключно від матері; Мітохондрії в спермі ссавців зазвичай знищуються яйцеклітиною після запліднення. Крім того, більшість мітохондрій присутній в основі хвоста сперматозоїда, який використовується для руху клітин сперми; іноді під час запліднення хвіст губиться. У 1999 році повідомлялося, що батькові мітохондрії сперматозоїда (що містять мтДНК) відзначені убіквітіном для подальшого руйнування всередині ембріона. Деякі методи запліднення in vitro, зокрема ін'єкція сперми в ооцит можуть заважати цьому.
Той факт, що мітохондріальна ДНК успадковується по материнській лінії, дозволяє генеалогічним дослідникам простежити материнську лінію далеко назад у часі. (Y-хромосомна ДНК успадковується за батьківською лінією, використовується аналогічним чином для визначення патрилінійної історії.) Зазвичай це здійснюється на мітохондріальній ДНК людини шляхом секвенування гіперваріабельної області управління (HVR1 або HVR2), а іноді і повної молекули мітохондріальної ДНК як генеалогічний тест ДНК. Наприклад, HVR1 складається приблизно з 440 пар основ. Потім ці 440 пар порівнюються з контрольними областями інших (або конкретних людей чи суб'єктів у базі даних) визначення материнської лінії. Найчастіше порівняння проводиться з переглянутою Кембриджською довідковою послідовністю. Vilà та ін. опублікували дослідження, присвячені матрилінійній схожості домашніх собак та вовків. Концепція Мітохондріальної Єви заснована на тому самому типі аналізу, намагається виявити походження людства, відстежує походження назад у часі.
мтДНК є висококонсервативною, а її щодо повільні швидкості мутацій (порівняно з іншими областями ДНК, такими як мікросателіти) роблять її корисною для вивчення еволюційних відносин – філогенії організмів. Біологи можуть визначити, а потім порівняти послідовності мтДНК у різних видів і використовувати порівняння для побудови еволюційного дерева для вивчених видів. Однак, через повільні швидкості мутацій, які він відчуває, часто важко розрізняти близькі споріднені види в будь-якій мірі, тому необхідно використовувати інші методи аналізу.
Мутації мітохондріальної ДНК
Очікується, що особи, які піддаються односпрямованому успадкування і майже без рекомбінації, піддаються тріскачці Мюллера, накопиченню шкідливих мутацій до тих пір, поки не буде втрачено функціональність. Популяції тварин мітохондрій уникають цього накопичення через процес розвитку, відомий як вузьке місце мтДНК. Вузьке місце використовує стохастичні процеси в клітині для збільшення мінливості клітини до клітини в мутантному навантаженні, коли організм розвивається, таким чином, що одна яйцеклітина з деякою часткою мутантної мтДНК створює ембріон, в якому різні клітини мають різні мутантні навантаження. Потім може бути обраний клітинний рівень, щоб видалити ці клітини з більшою мутантною мтДНК, що призведе до стабілізації або зменшення навантаження мутантів між поколіннями. Механізм, що лежить в основі вузького місця, обговорюється з недавньою математичною та експериментальною метастадією та є доказом комбінації випадкового розбиття мтДНК на клітинні поділки та випадкового обігу молекул мтДНК усередині клітини.
Спадкування за батьківською лінією
Дворазове односпрямоване успадкування мтДНК спостерігається у двостулкових молюсків. У цих видів самки мають лише один тип мтДНК (F), тоді як самці мають мтДНК типу F у своїх соматичних клітинах, але M тип мтДНК (яка може досягати 30% розбіжних) у клітинах зародкової лінії. У материнських успадкованих мітохондрій додатково повідомлялося про деяких комах, таких як плодові мухи, бджоли та періодичні цикади.
Чоловіче мітохондріальне наслідування було нещодавно виявлено у курчат Плімут-Рок. Докази підтверджують рідкісні випадки чоловічого мітохондріального успадкування у деяких ссавців. Зокрема, документально підтверджені випадки існують для мишей, де згодом відкинули чоловічі спадкові мітохондрії. Крім того, він був виявлений у овець, а також у клонованої великої рогатої худоби. Якось був виявлений в організмі чоловіка.
Незважаючи на те, що багато цих випадків пов'язані з клонуванням ембріонів або подальшим відторгненням батьківської мітохондрії, інші документують успадкування і стійкість in vivo в лабораторних умовах.
Мітохондріальне донорство
Метод IVF, відомий як мітохондріальне донорство або мітохондріальна замісна терапія (МЗТ), призводить до потомства, що містить мтДНК від донорів жіночої статі та ядерної ДНК від матері та батька. У процедурі перенесення шпинделя, ядро яйця вводиться в цитоплазму яйцеклітини від донора-самки, у якої було видалено ядро, але яке, як і раніше, містить мтДНК жіночого донора. Композиційне яйце потім запліднюється спермою чоловіка. Ця процедура використовується тоді, коли жінка з генетично неповноцінними мітохондріями хоче виробляти потомство зі здоровими мітохондріями. Першою відомою дитиною, яка народилася в результаті мітохондріальної пожертвування, був хлопчик, який народився у йорданської пари, в Мексиці 6 квітня 2016 року.
Структура мітохондріальної ДНК
У більшості багатоклітинних організмів, мтДНК – або мітогеном – організована у вигляді круглої, циркулярно замкнутої, дволанцюжкової ДНК. Але в багатьох одноклітинних (наприклад, тетрахімени або зелених водоростей Chlamydomonas reinhardtii) і в окремих випадках у багатоклітинних організмів (наприклад, у деяких видів кнідарій), мтДНК знаходиться як лінійно організована ДНК. Більшість цих лінійних мтДНК мають теломеразо-незалежні теломери (тобто кінцями лінійної ДНК) з різними режимами реплікації, які зробили їх цікавими об'єктами дослідження, оскільки багато з цих одноклітинних організмів з лінійною мтДНК є відомими патогенами.
Для мітохондріальної ДНК людини (і, ймовірно, для метазоанів), 100-10000 окремих копій мтДНК зазвичай присутні в соматичній клітині (яйцеклітини та сперматозоїди є винятками). У ссавців кожна з дволанцюгової молекули кругової мтДНК складається з 15000-17000 пар основ. Два ланцюги мтДНК розрізняються за їх нуклеотидним змістом, багате гуанідом пасмо називається важким ланцюгом (або Н-ланцюгом), а багату цинозином нитку називають легким ланцюгом (або L-ниткою). Тяжкий ланцюг кодує 28 генів, а легкий - 9 генів, загалом 37 генів. З 37 генів 13 призначені для білків (поліпептидів), 22 - для передачі РНК (тРНК) і два - для малих та великих субодиниць рибосомальної РНК (рРНК). Мітогеном людини містить гени, що перекриваються (ATP8 і ATP6, а також ND4L і ND4: див. Карту геному людини мітохондрій), яка рідко зустрічається в геномах тварин. 37-генна картина також зустрічається серед більшості метазоанів, хоча, в деяких випадках, один або кілька цих генів відсутні, а діапазон розмірів мтДНК більший. Ще більша зміна вмісту та розміру генів мтДНК існує серед грибів і рослин, хоча, як видається, існує основна підмножина генів, яка присутня у всіх еукаріотах (за винятком небагатьох, у яких взагалі немає мітохондрій). Деякі види рослин мають величезні мтДНК (стільки, скільки 2500000 пар основ на молекулу мтДНК), але, як не дивно, навіть ці величезні мтДНК містять однакове число і види генів, як споріднені рослини з набагато меншими мтДНК.
Геном мітохондрії огірка (Cucumis Sativus) складається з трьох кільцевих хромосом (довжина 1556, 84 і 45 т.п.н.), які повністю або значною мірою автономні щодо їх реплікації.
У мітохондріальних геномах виявлено шість основних типів геному. Ці типи геномів були класифіковані «Колесніковим та Герасимовим (2012)» та різняться у різний спосіб, такими як круговий, порівняно з лінійним геномом, розміром геному, наявністю інтронів або подібних плазмідних структур, а також є генетичний матеріал особливою молекулою, колекцією гомогенних або гетерогенних молекул.
Розшифровка геному тварин
У клітинах тварин існує лише один тип мітохондріального геному. Цей геном містить одну кругову молекулу між 11-28кбп генетичного матеріалу (тип 1).
Розшифровка геному рослин
Існує три різних типи геному, що містяться в рослинах та грибах. Перший тип – це круговий геном, який має інтрони (тип 2) завдовжки від 19 до 1000 кбп. Другий тип геному є круговим геном (близько 20-1000 кбп), який також має плазмідну структуру (1kb) (тип 3). Кінцевий тип геному, який можна знайти в рослині та грибах є лінійним геномом, що складається з гомогенних молекул ДНК (тип 5).
Розшифровка геному протистів
Протисти містять найрізноманітніші мітохондріальні геноми, які включають п'ять різних типів. Тип 2, тип 3 і тип 5, згадані в геномі рослин та грибів, також існують у деяких найпростіших, а також у двох унікальних типах геному. Першим є гетерогенна колекція кругових молекул ДНК (тип 4), а кінцевий тип геному, виявлений у протистів, являє собою гетерогенну колекцію лінійних молекул (тип 6). Типи геномів 4 і 6 варіюються від 1 до 200 кб.
Передача ендосимбіотичних генів, процес генів, що кодуються в мітохондріальному геномі, переноситься в основному геном клітини, ймовірно, це пояснює чому складніші організми, наприклад, люди, які мають менші мітохондріальні геноми, ніж простіші організми, такі як найпростіші.
Реплікація мітохондріальної ДНК
Мітохондріальна ДНК реплікується гамма-комплексом ДНК-полімерази, який складається з каталітичної ДНК-полімерази розміром 140 кДа, що кодується геном POLG і двома допоміжними субодиницями 55 кДа, закодованими геном POLG2. Реплікаційний пристрій утворений ДНК-полімеразою, TWINKLE та мітохондріальними SSB-білками. TWINKLE - це геліказа, яка розмотує короткі відрізки dsDNA у напрямку від 5" до 3".
Під час ембріогенезу реплікація мтДНК суворо відрегульована від заплідненого ооциту через передімплантаційний ембріон. Результативне скорочення кількості клітин у кожній клітині мтДНК відіграє роль у вузькому місці мітохондрій, що використовує мінливість клітин до клітини для поліпшення успадкування мутацій, що ушкоджують. На стадії бластоцитів початок реплікації мтДНК специфічний для клітин трофтокодера. Навпаки, клітини внутрішньої клітинної маси обмежують реплікацію мтДНК доти, доки вони не отримають сигнали для диференціації до конкретних типів клітин.
Транскрипція мітохондріальної ДНК
У мітохондріях тварин кожна нитка ДНК безперервно транскрибується та виробляє поліцистронну молекулу РНК. Між більшістю (але не у всіх) білок-кодуючих областях є тРНК (див. Карту геному мітохондрій людини). Під час транскрипції тРНК набуває характерної L-форми, яка розпізнається та розщеплюється конкретними ферментами. При обробці мітохондріальної РНК окремі фрагменти мРНК, рРНК та тРНК вивільняються з первинного транскрипту. Таким чином, складені тРНК діють як другорядні пунктуації.
Мітохондріальні захворювання
Поняття про те, що мтДНК особливо сприйнятлива до реактивних кисневих видів, що генеруються дихальним ланцюгом через його близькість, залишається спірним. мтДНК не накопичує більше окисної бази, ніж ядерна ДНК. Повідомлялося, що принаймні деякі види пошкоджень окислювальної ДНК відновлюються більш ефективно в мітохондріях, ніж у ядрі. мтДНК упаковується з білками, які, мабуть, такі ж захисні, як білки ядерного хроматину. Більш того, мітохондрії розвинули унікальний механізм, який підтримує цілісність мтДНК шляхом деградації надмірно пошкоджених геномів з подальшою реплікацією інтактної/відновленої мтДНК. Цей механізм відсутній у ядрі та активується декількома копіями мтДНК, присутніми у мітохондріях. Результатом мутації в мтДНК може бути зміна інструкцій кодування для деяких білків, що може впливати на метаболізм та/або придатність організму.
Мутації мітохондріальної ДНК можуть призвести до низки захворювань, включаючи непереносимість фізичного навантаження та синдром Кірнс-Сайре (KSS), який змушує людину втрачати повну функцію рухів серця, очей та м'язів. Деякі дані свідчать про те, що вони можуть робити значний внесок у процес старіння і пов'язані з віком патології. Зокрема, в контексті захворювання частка мутантних молекул мтДНК в клітині називається гетероплазмою. Розподіли гетероплазми всередині клітини та між клітинами диктують початок та тяжкість захворювання та знаходяться під впливом складних стохастичних процесів усередині клітини та під час розвитку.
Мутації у мітохондріальних тРНК можуть бути відповідальні за тяжкі захворювання, наприклад, такі, як синдроми MELAS та MERRF.
Мутації в ядерних генах, що кодують білки, які використовують мітохондрії, також можуть сприяти мітохондріальним захворюванням. Ці хвороби не відповідають моделям успадкування мітохондрій, а натомість слідують менделівським схемам успадкування.
Останнім часом мутації в мтДНК були використані для діагностування раку простати у пацієнтів з негативною біопсією.
Механізм старіння
Хоча ідея є спірною, деякі дані свідчать про зв'язок між старінням та мітохондріальною дисфункцією геному. По суті, мутації в мтДНК порушують ретельний баланс виробництва реактивного кисню (ROS) та ферментативного ROS-продукування (ферментами, такими як супероксиддисмутаза, каталаза, глутатіонпероксидаза та інші). Проте деякі мутації, які збільшують виробництво ROS (наприклад, за рахунок зниження антиоксидантного захисту) у хробаків збільшують, а не зменшують їх довговічність. Крім того, оголені мельні щури, гризуни, розміром з мишей, живуть приблизно у вісім разів довше, ніж миші, незважаючи на зниження, порівняно з мишами, антиоксидантного захисту та підвищеного окисного пошкодження біомолекул.
Одного разу, як вважали, був позитивний цикл зворотний зв'язок у роботі («Vicious Cycle»); оскільки мітохондріальна ДНК накопичує генетичний збиток, спричинений вільними радикалами, мітохондрії втрачають функцію та звільняють вільні радикали у цитозолі. Зниження функції мітохондрій знижує загальну метаболічну ефективність. Однак, ця концепція була остаточно спростована, коли було продемонстровано, що миші, генетично змінені для накопичення мутацій мтДНК зі збільшеною швидкістю, передчасно старіють, але їх тканини не виробляють більше ROS, як прогнозувалося гіпотезою «Порочний цикл». Підтримуючи зв'язок між довговічністю та мітохондріальною ДНК у деяких дослідженнях виявлено кореляції між біохімічними властивостями мітохондріальної ДНК та довговічністю видів. Проводяться великі дослідження подальшого вивчення цього і методів боротьби зі старінням. В даний час генна терапія та нутрицевтичні добавки є популярними областями поточних досліджень. Bjelakovic та ін. проаналізував результати 78 досліджень у період між 1977 та 2012 роками, в яких брало участь, загалом, 296 707 учасників, дійшов висновку, що антиоксидантні добавки не зменшують смертність від будь-яких причин і не продовжують тривалість життя, у той час як деякі з них, такі як бета-каротин, вітамін Е та вищі дози вітаміну А, можуть фактично збільшити смертність.
Контрольні точки видалення часто зустрічаються всередині або поруч із регіонами, що показують неканонічні (не-B) конформації, а саме шпильки, хрестоподібні та подібні конюшині елементи. Крім того, є дані, що підтверджують залучення спірально спотворюють криволінійних областей і довгих G-зошит у виявленні подій нестабільності. Крім того, вищі точки щільності послідовно спостерігалися в областях з перекосом GC і в безпосередній близькості від виродженого фрагмента послідовності YMMYMNNMMHM.
Чим мітохондріальна ДНК відрізняється від ядерної?
На відміну від ядерної ДНК, яка успадкована від обох батьків і в якій гени перегруповані в процесі рекомбінації, зазвичай немає змін до мтДНК від батька до потомства. Хоча мтДНК також рекомбінує, вона робить це з копіями себе в межах тієї ж мітохондрії. Через це частота мутацій тварин мтднк вище, ніж у ядерної ДНК. мтДНК є потужним інструментом для відстеження родоводу через жінок (matrilineage) і використовувалася в цій ролі для відстеження родоводу багатьох видів сотні поколінь тому.
Стрімка частота мутацій (у тварин) робить мтДНК корисною з метою оцінки генетичних взаємин окремих індивідуумів чи груп у межах виду, і навіть для ідентифікації та кількісного визначення филогении (еволюційних відносин) серед різних видів. Для цього біологи визначають, а потім порівнюють послідовність мтДНК із різними індивідуумами або видами. Дані порівнянь використовуються для побудови мережі взаємовідносин між послідовностями, які забезпечують оцінку відносин між окремими особами чи видами, з яких було взято мтДНК. мтДНК може бути використана для оцінки взаємозв'язку між близькими та віддаленими видами. З-за високої частоти мутацій мтДНК у тварин, 3-ї позиції кодонів змінюватися відносно швидко, і, таким чином, надає інформацію про генетичні відстані між близькими родичами або видами. З іншого боку, швидкість заміщення mt-білків дуже низька, тому зміни амінокислот накопичуються повільно (з відповідними повільними змінами в положеннях 1-го та 2-го кодонів) і, таким чином, вони надають інформацію про генетичні відстані віддалених родичів. Статистичні моделі, які враховують частоту заміщення серед позицій кодонів окремо, можуть використовуватися для одночасної оцінки філогенії, яка містить як близькі, так і віддалені види.
Історія відкриття мтДНК
Мітохондріальна ДНК була виявлена в 1960-х роках Маргітом М. К. Насом та Сільваном Насом за допомогою електронної мікроскопії як чутливих до ДНКази ниток усередині мітохондрій, а також Елен Хасбруннер, Ханс Таппі та Готфрід Шац із біохімічних аналізів на високоочищених міхондріях.
Мітохондріальна ДНК вперше була визнана у 1996 році під час штату Теннессі проти Пола Уера. У 1998 році в судовій справі Співдружності Пенсільванії проти Патриції Лінн Роррер, мітохондріальна ДНК вперше була прийнята як доказ у штаті Пенсільванія. Випадок був показаний в епізоді 55-го 5-го сезону справжньої серії драматичних криміналістичних судових справ (сезон 5).
Мітохондріальна ДНК вперше була визнана в Каліфорнії під час успішного переслідування Девіда Вестерфілда за викрадення та вбивство у 2002 році 7-річної Даніель ван Дам у Сан-Дієго: вона використовувалася як для ідентифікації людей, так і собак. Це було перше випробування у США, яке дозволило собачу ДНК.
Бази даних з мтДНК
Було створено кілька спеціалізованих баз даних для збирання мітохондріальних послідовностей геному та іншої інформації. Хоча більшість з них зосереджені на даних про послідовність, деякі з них включають філогенетичну або функціональну інформацію.
- MitoSatPlant: база даних мікросателітів мітохондріальних вірідіплантів.
- MitoBreak: база даних контрольних точок мітохондріальної ДНК.
- MitoFish та MitoAnnotator: база даних про мітохондріальний геном риб. Дивіться також Cawthorn та ін.
- MitoZoa 2.0: база даних для порівняльного та еволюційного аналізу мітохондріальних геномів (більше недоступна)
- InterMitoBase: анотована база даних та платформа аналізу білково-білкових взаємодій для мітохондрій людини (остання оновлена в 2010 році, але все ще є недоступною)
- Mitome: база даних для порівняльної мітохондріальної геноміки у багатоклітинних тварин (більше недоступна)
- MitoRes: ресурс ядерно-кодованих мітохондріальних генів та їх продуктів у метазоах (більше не оновлювався)
Існує кілька спеціалізованих баз даних, які повідомляють про поліморфізми та мутації в мітохондріальній ДНК людини разом з оцінкою їх патогенності.
- MITOMAP: компендіум поліморфізмів та мутацій у мітохондріальній ДНК людини.
- MitImpact: Збір прогнозованих прогнозів патогенності для всіх змін нуклеотидів, які викликають несинонімічні заміни в генах, що кодують мітохондріальні білки людини.
Значна частина читачів моїх блогів, безумовно, тією чи іншою мірою має уявлення про сутність та характер наслідування мітохондріальної ДНК. Завдяки доступності комерційного тестування, у багатьох моїх (по)читачів визначені мітохондріальні гаплотипи в окремих регіонах мітохондріону (CR, HVS1, HVS2), а деякі навіть мають повний мітохондріальний сіквенс (усі 16571 позиції). Таким чином, багатьом вдалося пролити світло на свою «глибоку генеалогію», яка сходить до спільній точцікоалісценції всіх нині існуючих жіночих генетичних ліній. Романтичні попгенетики нарекли цю точку «мітохондріальної Євою», хоча ця точка все лише є математичною абстракцією і через це будь-яке ім'ярікання має суто конвенційний характер.
Невеликий екскурс для новачків.
Мітохондріальна ДНК (далі мтДНК) передається від матері до дитини. Оскільки тільки жінки можуть передавати мтДНК своїм нащадкам, тестування мтДНК дає інформацію про матір, її матір тощо по прямій материнській лінії. мтДНК від матері отримують як чоловіки, так і жінки, тому у проведенні тестування мтДНК можуть брати участь і чоловіки, і жінки. Хоча в мтДНК і відбуваються мутації, їхня частота відносно низька. Протягом тисячоліть дані мутації накопичувалися, і з цієї причини жіноча лінія в сім'ї генетично відрізняється від іншої. Після того, як людство розселилося по планеті, мутації продовжили випадкову появу в розділених відстанню популяціях колись єдиного людського роду. Тому мтДНК можна використовувати для визначення географічного походження даної сімейної групи. Результати тестування мтДНК порівнюються з так званою «Станадртною кембриджською послідовністю» (CRS) — першою встановленою в 1981 році в Кембриджі послідовністю мтДНК (* прим — зараз йде перегляд питання про використання CRS як референсний мітосіквенс). У результаті вчені встановлюють гаплотип людини, що досліджується. Гаплотип – це ваша особиста генетична характеристика. При розгляді мтДНК це ваш набір відхилень від «кембриджської стандартної послідовності». Після порівняння вашої послідовності з послідовностями бази даних, встановлюється ваша гаплогрупа. Гаплогрупа — це генетична характеристика певної спільності людей, які мали одну спільну «пра» бабусю, нещодавнішу, ніж «мітохондріальна Єва». Їхні давні предки часто пересувалися в одній групі в ході міграцій. Гаплогрупа показує, до якої генеалогічної гілки людства ви належите. Їх позначають буквами алфавіту, від А до Z плюс численні підгрупи. Наприклад, європейські гаплогрупи – H, J, K, T, U, V, X. Близькосхідні – N та M. Азіатські – A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Африканські – L1, L2 , L3 та M1. Полінезійська – B. Американські індіанці – А, B, C, D, та рідко Х. Останнім часом до європейських гаплогруп додали N1, U4, U5 та W.
Зупинимося на європейських мітогаплогрупах - H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 та W. Більшість їх у свою чергу розпадається на дочірні субклади (дочірні гілки, наприклад дочірній субклад гаплогрупи U5 — субклад U5b1 («Урсула»), чий пік поширення припадає на Прибалтику і Фінляндію. Варто відзначити, що матріархи жіночих ліній часто просто іменуються. Основу цієї традиції заклав автор книги «Сім дочок Єви» Браян Сайкс, який придумав для ймовірних прародительок більшої частини населення Європи імена. Урсула (гаплогрупа U), Ксенія (X), Олена (H), Велда (V), Тара (T), Катрін (K) та Жасмін (J).Можна простежити і нанести на карту магістральні дороги, якими вони та інші наші прапрабабки кочували в часі та просторі, і розрахувати передбачуваний час для кожної розвилки – появи нової мутації, від перших «дочок Єви» до недавніх – гаплогруп I та V, яким "Всього" близько 15 000 років.
Часто запитую, чим відрізняється ядерна ДНК від мтДНК? Згідно з сучасними науковими уявленнями, мільярди років тому мітохондрії були незалежними бактеріями, які оселилися в клітинах примітивних еукаріотичних (що мають клітинне ядро з лінійними хромосомами) організмів і «взяли на себе» функцію виробництва тепла та енергії в клітинах господаря. За час спільного життя частину своїх генів вони втратили через непотрібність за життя на всьому готовому, частину - передали в ядерні хромосоми, і зараз подвійне кільце мтДНК людини складається всього з 16 569 пар нуклеотидних підстав. Більшість мітохондріального геному займають 37 генів. Через високу концентрацію вільних радикалів кисню (побічних продуктів окислення глюкози) та слабкість механізму відновлення помилок при копіюванні ДНК мутації в мтДНК відбуваються на порядок частіше, ніж у ядерних хромосомах. Заміна, випадання чи добавка одного нуклеотиду тут відбуваються приблизно один раз на 100 поколінь - близько 2500 років. Мутації в мітохондріальних генах – порушення у роботі клітинних енергостанцій – дуже часто бувають причиною спадкових хвороб. Єдина функція мітохондрій - окислення глюкози до вуглекислого газу і води і синтез за рахунок енергії клітинного палива, що виділяється при цьому, - АТФ і універсального відновлюючого агента (переносника протонів) НАДН. (НАДН – це нікотинамідаденіндінуклеотид – спробуйте вимовити без запинки.) Навіть для цього простого завдання потрібні десятки ферментів, але більшість генів білків, необхідних для роботи та поточного ремонту мітохондрій, давно перейшли в хромосоми клітин «господарів». У мтДНК залишилися тільки гени транспортних РНК, що постачають амінокислоти до синтезуючих білки рибосом (позначені однолітерними латинськими символами відповідних амінокислот), два гени рибосомальних РНК - 12s RNA і 16s RNA (гени білків мітохондріальних) білків основних мітохондріальних ферментів - НАДH-дегідрогеназного комплексу (ND1-ND6, ND4L), цитохром-c-оксидази (COI-III), цитохрому b (CYTb) та двох білкових субодиниць ферменту АТФ-синтетази (ATPase8 і 6). Для потреб молекулярної або ДНК-генеалогії використовується некодуюча ділянка - D-петля, що складається з двох гіперваріабельних регіонів, низького та високого дозволу- HVR1 (ГВС1) та HVR2 (ГВС2).
Варто сказати кілька слів про важливість вивчення мтДНК з погляду медичної генетики.
Зрозуміло, вже й раніше проводилися дослідження щодо асоціації певних захворювань з окремими жіночими генетичними лініями. Наприклад, в одному з досліджень було висловлено припущення, що розкладання оксидативної фосфорилації мітохлоріонів, пов'язане з SNP, що визначає гаплогрупу J(asmine) стає причиною підвищеної температури тіла у фенотипі носіїв даної гаплогрупи. Це пов'язують із підвищеною присутністю даної гаплогрупи на півночі Європи, зокрема, у Норвегії. Крім того, в осіб з мітохондріальною гаплогрупою J, згідно з іншим дослідженням, швидше розвивається СНІД і вони швидше вмирають порівняно з іншими ВІЛ-інфікованими. В дослідженнях вказувалося, що філогенетично значущі мутації мітохондріону спричиняли характер експресії генів у фенотипі.
Далі сестринська по відношенню до J мітохондріальна гаплогрупа T пов'язана зі зниженою рухливістю сперматозоїдів у чоловіків. Згідно з публікацією кафедри біохімії та молекулярно-клітинної біології Університету Сарагоси, гаплогрупа T являє собою слабку генетичну схильність до астенозооспермії. Згідно з деякими дослідженнями наявність гаплогрупи T пов'язана з підвищеним ризиком коронарно-артеріального захворювання. Згідно з іншим дослідженням, носії T менш схильні до діабету. Декілька пілотних медичних досліджень показали, що наявність гаплогрупи T пов'язана зі зниженим ризиком хвороб паркінсона та Альцгеймера.
Втім, уже наступний приклад показує, що результати аналізу зв'язку жіночих генетичних ліній та захворювань найчастіше суперечать один одному. Наприклад, носії найдавнішої європейської мітогаплогрупи UK мало сприйнятливі до синдрому імунного придбаного дефіциту. І в той же час одна підгрупа U5a вважається особливо сприйнятливою до синдрому імунного придбаного дефіциту.
Більш ранні дослідження показали наявність позитивної кореляції між приналежністю до гаплогрупи U та ризиком розвитку раку простати та раку прямої кишки. гаплогрупа К (Катрін), що походить від UK через субклад U8, також як і її батьківські лінії характеризується підвищеним ризиком інсульту та хронієською прогресуючою офтальмоплегією.
Чоловіки, що належать до домінуючої в Європі жіночої лінії H(Helen - Хелена, гілка зведеної групи H характеризуються найнижчим ризиком астенозооспермії (це захворювання, при якому зменшується мотильність сперматозоїдів). Також ця гаплогрупа характеризується високою опірність СП та прогресивністю СП та прогресивністю організму і ПРО. , для H характерний високий ризик захворювання на хворобу Альцгеймера.Для порівняння - ризик розвитку хвороби Паркінсона у носіїв жіночої генетичної лінії H (Helen) набагато вище аналогічного ризику у представників лінії (JT).
Представники мітохондріальних ліній I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 and T мають знижений (порівняно з середньостатистичним) ризик розвитку хвороби Паркінсона. всього довгожителів, тому попгенетики жартома називають ці мітогаплогрупи гаплогрупами довгожителів. Але не все так добре. Деякі представники субкладу гаплогрупи J і T (особливо J2) страждають від рідкісного генетично обумовленого захворювання (Leber hereditary optic neuropathy), пов'язаного з експресією гена, відповідального за спадкову по материнській лінії сліпоту.
Приналежність до мітогаплогрупи є факором розвитку раку грудей. Втім, теж стосується й інших європейських мітогаплогруп (H, T, U, V, W, X), за винятком K. Нарешті, носії жіночої мітохондріальної лінії X («Ксенія»), мають у мітохондріоні мутацію, що підвищує ризик розвитку діабету другого типу, кардіоміопатії та ендометріального раку. Представники зведеної макромітогаплогрупи IWX мають найвищу опірність розвитку СНІДУ.
Важливу роль відіграють мітохондрії і в спортивній генетиці, що виникла порівняно недавно.
Часто, читаючи опис спортивних препаратів та фуд-сапплементів, я натрапляв на згадку про те, що той чи інший активний елемент препарату прискорює метаболізм чи транспортування певних сполук до мітохондрії. Насамперед це стосується L-карнітину, креатину та BCAA. Оскільки мітохондрія виконує в клітині роль генератора енергії, то ці спостереження видаються мені логічними і правдоподібними.
Тому зупинимося на розгляді цього питання дещо докладніше.
На думку вчених, до раннього старіння організму призводить дефіцит енергії. Чим менше в клітинах енергії, тим менше зусиль буде спрямовано на відновлення та видалення токсинів. Як то кажуть, «не до жиру, бути живим». Але вихід є завжди:здорове харчування плюс маленькі біохімічні тонкощі зможуть запустити знову клітинні електростанції. І перше про що радять згадати – це карнітин.
Починаючи зі зрілого віку мітохондрії, клітинні електростанції починають уповільнювати свій запал, що призводить до зниження енергопродукції. Клітина переходить до жорсткої економії, коли про режим «форсажу» годі й мріяти. Недолік енергії призводить до дисфункції інших клітинних органел і знову відбивається на мітохондріях. Порочне коло. Це старіння, точніше, його внутрішній прояв.
"Ви настільки молоді, наскільки молоді ваші мітохондрії", - любить заявляти дієтолог Роберт Крайхон. Присвятивши багато років вивченню біохімії клітин, він знайшов один із способів впливати на продукцію енергії мітохондріями, тобто на старіння. Цей спосіб - карнітин та його активна форма L-карнітин.
Карнітин – не амінокислота, тому що він не містить аміногрупи (NH2). Він більше нагадує кофермент або, якщо завгодно, водорозчинну вітаміноподібну сполуку. Чому ж карнітин привертає увагу дієтологів?
Як відомо, жирні кислоти є основним паливом для м'язів, особливо міокарда. Близько 70% енергії утворюється у м'язах від спалювання жирів. Карнітин здійснює транспорт довголанцюгових жирних кислот через мембрану мітохондрій. Невелика кількість карнітину (близько 25%) синтезується організмом із амінокислоти лізину. Інші 75% ми повинні приїхати з продовольством.
Але сьогодні ми отримуємо надто мало карнітину. Кажуть, що наші предки щодня споживали щонайменше 500 мг карнітину. Середньостатистична людина в сучасному суспільстві отримує з їжею лише 30-50 мг на добу.
Недолік карнітину призводить до зниження виробництва енергії та дегенерації. Менше енергії — бідніші за фізіологічні резерви. Класична картина — люди похилого віку, організм яких відчуває «енергетичну кризу». Якби енергії було достатньо організму, він міг би успішно здійснювати будівництво та оновлення клітинних мембран, підтримувати цілісність клітинних структур, захист генетичної інформації. Наша імунна систематакож залежить від адекватного виробництва енергії.
Роберт Крайхон вважає, що нам потрібно більше карнітину в міру того, як організм починає в'янути. Це крок у бік омолодження та наповнення клітин енергією, щоб вони могли краще функціонувати, а також захистити себе від вільних радикалів та патогенних мікроорганізмів. [
До речі, півтора роки тому я проводив пілотне обстеження у фізіолога щодо визначення біологічного віку. За таблицею фізіолога, результати вимірів найбільше точно відповідали біологічному віку 28 років. Якщо пан Роберт Крайхон правий, то мої мітохондрії на 7 років молодший за мій паспортний вік)). А ось багато моїх однолітків вже живуть у борг у природи (знов-таки, за рахунок своїх мітохондрій)].
М'ясо, риба, молоко, яйця, сир та інші продукти тваринного походження загалом містять достатньо карнітину. Баранина та ягнятина – особливо потужні джерела. З рослинних джерел найкращі авокадо і темпі.
Звичайно, раніше тварини паслися на пасовищах та вживали траву. Це було чудово, тому що в такому випадку тваринні продукти містили велику кількість карнітину та корисні омега-3 жирні кислоти, які взаємодоповнювали дію один одного. Це дозволяло організму наших предків ефективно спалювати жир та мати сильне тіло. Тепер же худобу годують зерном, і в ньому переважають омега-6 жирні кислоти, що мають прозапальну дію, а рівень карнітину знизився. Ось чому тепер щоденне вживання червоного м'яса більше не є здоровою альтернативою. Але на цьому зупинимося.
Є ще один момент, про який варто обмовитися. Було б наївно стверджувати, що карнітин може раз і назавжди позбавити людину старіння. Ні, це було б надто легко для людства, хоча багато хто, можливо, хотів би в це повірити.
Карнітин, як і інші корисні речовини, що активують обмін речовин, є одним із численних помічників. Однак він не в змозі докорінно зупинити хід клітинного годинника, хоча, ймовірно, в силах уповільнити його.
Виявлено, що робота ішемізованого міокарда зупиняється при вичерпанні клітинних ресурсів креатинфосфорної кислоти, хоча в клітинах залишається невикористаним ок. 90% аденозинтрифосфату. Це продемонструвало, що аденозинтрифосфат нерівномірно розташовується у клітині. Використовується не весь аденозинтрифосфат, що знаходиться в клітині м'яза, а тільки його певна частина, зосереджена в міофібрилах. Результати подальших дослідів продемонстрували, що зв'язок між клітинними сховищами аденозинтрифосфату здійснюється креатинфосфорною кислотою та ізоензимами креатинкінази. У звичайних умовах молекула аденозинтрифосфату, синтезована в мітохондрії, передає енергію креатину, який під впливом ізоензиму креатинкінази перетворюється на креатинфосфорну кислоту. Креатинфосфорна кислота переміщається до локалізації креатинкіназних реакцій, де інші ізоензими креатинкінази забезпечують регенерацію аденозинтрифосфату з креатинфосфорної кислоти та аденозиндифосфату. Креатин, що вивільняється при цьому, переміщається в мітохондрію, а аденозинтрифосфат використовується для отримання енергії, в т.ч. для напруги м'язів Інтенсивність циркуляції енергії в клітині креатинфосфорним шляхом набагато більша за швидкість проникнення аденозинтрифосфату в цитоплазмі. Це і є причиною падіння концентрації креатинфосфорної кислоти в клітині, і зумовлює депресію м'язової напруги навіть при незайманості основного клітинного запасу аденозинтрифосфату.
На жаль, люди, які займаються спортивною генетикою, дуже мало уваги приділяють мітохондріям. Мені ще не зустрічалися дослідження результатів бодібілдерів, розбитих на контрольні групи за ознакою приналежності до мітохондріальних груп (за умови, що інші показники у них однакові). Наприклад, дизайн експерименту міг би виглядати в такий спосіб — вибираємо культуристів однакового віку, ваги, росту, м'язової комплекції та стажу. Пропонуємо їм виконати сет однакових силових вправ (наприклад, максимальна кількість підходів жиму лежачи з вагою 95-100 кг.) Порівнюємо результати та аналізуємо їх виходячи з апріорних відомостей про мітогрупи спортсменів. Після чого даємо спортсменам комбо-живлення з креатину, левокарнітину, глютоміну та амінокислот. Через деякий час, повторюємо випробування і порівнюємо результати і робимо висновки про наявність/відсутність кореляції з типом мтДНК.
Думаю, що і мої аматорські дослідження мітохондрій можуть зрештою просвітити людство. Щоправда, мене в мітохондріях цікавлять не тільки й не так генеалогія та медичні питання, як питання психогенетики, зокрема аспекти взаємодії між людьми різних мітогаплогруп. Я взяв на себе сміливість назвати цю сферу досліджень психосоціонікою. Користуючись рідкісною можливістю спостерігати (протягом 4 років) взаємодію людей різних мітогаплогруп як мінімум на 5 англомовних формах та 2 російськомовних форумах, я помітив цікаву тенденцію. На жаль, у мене не було часу на те, щоб чітко артикулювати цю закономірність у дискурсивних термінах наукової мови попгенетики, поки що на рівні попередніх зауважень. Але можливо, якщо вдасться сформулювати моє спостереження, воно увійде в історію популяційної генетки як закон Веренича-Запорожченка.
Мої спостереження ґрунтуються на вивченні інтеракції між трьома основними європейськими зведеними мітогаплогрупами (JT, HV, UK). На жаль, європейські мітогаплогрупи I,W,X (а також екзотичні та мінорні мітогрупи) через нерепрезентативність вибірки не потрапили в поле мого дослідження. Якщо стисло, то ці спостереження зводяться до наступних пунктів:
1) найбільш щільна та продуктивна взаємодія спостерігається між представниками однієї зведеної гаплогрупи (наприклад, між представниками різних субкладів J та T). Можливо цей факт можна пояснити еволюційним механізмом, що визначає на генетичному рівні (нагадаю, мітоДНК успадковується строго по материнській лінії) прихильність дитини до матері в ранньому віці. характер, тоді як батько впливає малюка часто опосередковано – через матір (Clarke-Stewart К.А., 1978). Цей вплив згодом інтерполюється на взаємодію з представниками близьких мітогаплогруп (психогенетичні підстави цього впливу поки що науково не виявлені). Тому й не дивно, що серед своїх одногаплогрупників люди знаходять найбільш надійних однодумців
2) представники JT та HV є антиподами по відношенню один до одного — саме між ними спостерігається найбільш антагонічна взаємодія, яка часто веде до конфліктів. Причини антагонізму належить вивчити
3) представники мітогрупи UK, як правило, характеризуються нейтральним ставленням як до JT, так і HV. Відносини з обома групами мають суто діловий, нейтрально-дружній характер.
Оскільки мене цікавили причини такого явного поділу, то я звернувся за консультацією до Валерія Запорожченка, найбільшого фахівця світового рівня з мтДНК (він є автором однієї з найефективніших філогенетичних програм MURKA, має найбільшу у світі приватну колекцію мітогаплотипів та повних геномних сіквенсів). співавтором кількох великих публікацій з мітоДНК).Валерій дав дещо незвичайну, але якщо вдуматися, логічну відповідь.Суть його відповіді полягала в тому, що антагонізм між JT та HV можна пояснити «генетичною пам'яттю». Справа в тому, що гаплогрупа HV проникла до Європи десь на межі мезоліту та неоліту північним шляхом.Паралельно з цією гаплогрупою до Європи проник жіночий рід JT, проте маршрут міграції пролягав дещо південніше. Швидше за все, між обома групами (JT та HV) існувала певна конкуренція, оскільки і JT, і HV займали одну нішу (неолітичні землероби). ДоДо речі, цією ж історичною інтроспекцією пояснюється і нейтральність мітогрупи UK по відношенню до HV і JT. Як загальноприйнято зараз вважати, UK (будучи найдавнішою мітогрупою Європи) на зорі неолітичної революції і появи вищезгаданих неолітичнихких груп, була представлена головним чином серед європейських мезолітичних мисливців-збирачів. Оскільки вони займали зовсім іншу нішу, то представникам UK просто не було чого ділити з HV та JT.
Найкращим прикладом мітоконфлікту є конфлікт між двома блискучими умами аматорської генетики та антропології — Дієнеком Понтикосом (чиєю мітогрупою є T2) та Давидом «Полако» Веселовським (чия мітогрупа визначена як H7). Чим не підтвердження конфліктного потенціалу взаємодії мітогруп JT та HV. Це як відомий експеримент з 1 г залізного порошку або пудри і 2 г сухого калію нітрату, попередньо розтертого в ступці. Варто їх помістити поруч, як починається бурхлива реакція з виділенням іскор, бурим димом і сильним розігрівом. При цьому зовнішній вигляд суміші нагадує розжарену лаву. При взаємодії нітрату калію із залізом утворюється феррат калію та газоподібний монооксид азоту, який, окислюючись на повітрі, дає бурий газ – діоксид азоту. Якщо твердий залишок після закінчення реакції помістити в склянку з холодною кип'яченою водою, вийде червоно-фіолетовий розчин феррату калію, який розкладається за кілька хвилин.))
Які практичні наслідки цих спостережень? В даний час бурхливо розвивається одна з галузей так званої конфліктології, пов'язаної з оцінкою сумісності окремих індивідів у групі. Звичайно, найбільш практичний вираз ця галузь отримує у вирішенні практичних завдань (наприклад, кастинг або відбір персоналу). Зрозуміло, персонал, що набирається, оцінюється головним чином за своїми професійним знанням, навичкам, вмінням та досвіду роботи. Але важливим фактором є оцінка сумісності рекрутів з колективом і керівництвом, що вже склався. Апріорна оцінка цього фактора скрутна, і зараз ця оцінка проводиться головним чином за допомогою психологічних тестів, на розробку та тестування яких великі корпорації та установи (наприклад, NASA при відборі команди астронавтів) витрачають великі кошти. Однак зараз, на порозі розвитку психогенетики ці тести можна замінити аналізом генетично детермінованої сумісності.
Наприклад, припустимо, що ми маємо якусь групу рекрутованих фахівців, які відповідають формальним вимогам прийому на роботу і мають відповідну компетенцію. Є колектив, у якому присутні всі три макрогрупи JT, HVта UK. Якби я був керівником, то прийняті на роботу новачки прямували до тих чи інших груп осіб, виходячи з поставлених завдань:
1) Якщо виконання якогось завдання вимагає наявність тісної групи однодумців — то найкращим варіантом є створення групи осіб, що належать до однієї макрогаплогрупи
2) Якщо група працює у напрямку пошуку нових рішень і використовує в роботі методи типу «мозковий штурм» — необхідно помістити цих новобранців у середу антагоністів (JT до HV, і навпаки)
3) Якщо принципи роботи групи ґрунтуються суто на ділових/формальних відносинах — то керівництво слід потурбується тим, щоб у групі була достатня кількість представників UK, які виступатимуть як буфер між конфліктними JT і HV.
За бажання ті самі принципи можна покласти в основу «науково-мотивованого» підбору партнера в шлюбі. Принаймні оцінка сумісності партнера (вірніше, оцінка характеру сумісності) буде набагато правдоподібнішою, ніж оцінка сумісності в сучасних dating-service, яка базується на примітивних психологічних тестах та астрології. До речі, єдиний комерційний DNA dating service жорстко експлатує гаплотипи комплексу гістосумісності. Логіка полягає в тому, що, як було показано в роботах учених, люди зазвичай вибирають партнерів з максимально протилежним HLA-гаплотипом.
Різні генетичні компоненти в норвезькому населенні зазнали аналізу mtDNA & Y chromosome polymorphisms Mitochondrial DNA haplogroups influence AIDS progression.
Natural selection shaped regional mtDNA variation in human Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Diez-Sánchez C, et al. (September 2000). «Human mtDNA haplogroups поєднується з високою або зниженою spermatozoa motility». Am. J. Hum. Genet. 67 (3): 682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitochondrion: 30 Mitochondrial haplogroup T is asocied with coronary artery disease Mitochondrial DNA haplotype 'T'
«Усі, хто це буде повідомлено, що члени сім'ї в хаплогрупі можуть бути певними захисниками Олександра Беловзхаймера disease (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) і також Parkinson's disease (Pyle et al. 20). та ін. suggest that further studies може бути необхідна перед реакцією firm conclusions.»
Мітоchondrial DNA haplogroups influence AIDS прогрес.
Natural selection shaped regional mtDNA variation in humans
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Diez-Sánchez C, et al. (September 2000). «Human mtDNA haplogroups поєднується з високою або зниженою spermatozoa motility». Am. J. Hum. Genet. 67 (3): 682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Мітохондріон: 30 Мітоchondrial haplogroup T є поєднаний з квітковим artery disease
Mitochondrial DNA haplotype 'T'
«Elsewhere it has been reported that membership in haplogroup T may offer some protection against
Основна стаття: Мітохондріальна ДНК
Мітохондріальна ДНК, що знаходиться в матриксі, являє собою замкнуту кільцеву двоспіральну молекулу, в клітинах людини має розмір 16569 нуклеотидних пар, що приблизно в 10 5 разів менше ДНК, локалізованої в ядрі. В цілому мітохондріальна ДНК кодує 2 рРНК, 22 тРНК і 13 субодиниць ферментів дихального ланцюга, що становить не більше половини білків, що виявляються в ній. Зокрема, під контролем мітохондріального геному кодуються сім субодиниць АТФ-синтетази, три субодиниці цитохромоксидази та одна субодиниця убіхінол-цитохром- з-Редуктази. При цьому всі білки, крім одного, дві рибосомні та шість транспортних РНК транскрибуються з більш важкого (зовнішнього) ланцюга ДНК, а 14 інших тРНК і один білок транскрибуються з більш легкого (внутрішнього) ланцюга.
На цьому фоні геном мітохондрій рослин значно більше і може досягати 370000 нуклеотидних пар, що приблизно в 20 разів більше за описану вище геном мітохондрій людини. Кількість генів тут також приблизно в 7 разів більша, що супроводжується появою в мітохондріях рослин додаткових шляхів електронного транспорту, не пов'язаних із синтезом АТФ.
Мітохондріальна ДНК реплікується в інтерфазі, що частково синхронізовано із реплікацією ДНК у ядрі. Під час клітинного циклу мітохондрії діляться надвоє шляхом перетяжки, утворення якої починається з кільцевої борозенки на внутрішній мітохондріальній мембрані. Детальне вивчення нуклеотидної послідовності мітохондріального геному дозволило встановити те, що в мітохондріях тварин та грибів нерідкі відхилення від універсального генетичного коду. Так, в мітохондріях людини кодон ТАТ замість ізолейцину в стандартному коді кодує амінокислоту метіонін, кодони ТСТ і ТСС, які зазвичай кодують аргінін, є стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартному коді є стоп-кодоном, кодує амінокислоту метіонін. Щодо мітохондрій рослин, то, мабуть, вони використовують універсальний генетичний код. Іншою рисою мітохондрій є особливість впізнавання кодонів тРНК, що полягає в тому, що одна подібна молекула здатна впізнавати не один, але відразу три або чотирикодони. Зазначена особливість знижує значимість третього нуклеотиду в кодоні і призводить до того, що мітохондрії потрібна менша різноманітність типів тРНК. При цьому достатньою кількістю виявляються лише 22 різних тРНК.
Маючи власний генетичний апарат, мітохондрія має і власну білоксинтезуючу систему, особливістю якої в клітинах тварин і грибів є дуже маленькі рибосоми, що характеризуються коефіцієнтом седиментації 55S, що навіть нижче за аналогічний показник у 70S-рибосом прокаріотичного типу. При цьому дві великі рибосомні РНК також мають менші розміри, ніж у прокаріотів, а мала рРНК взагалі відсутня. У мітохондріях рослин, навпаки, рибосоми більш подібні до прокаріотичних за розмірами і будовою.
Мітохондріальні білки[ред. редагувати вихідний текст]
Кількість білків, що транслюються з мітохондріальною мРНК, що формують субодиниці великих ферментних комплексів, обмежена. Значна частина білків кодується в ядрі та синтезується на цитоплазматичних 80S-рибосомах. Зокрема, так утворюються деякі білки – переносники електронів, мітохондріальні транслокази, компоненти транспорту білків у мітохондрії, а також фактори, необхідні для транскрипції, трансляції та реплікації мітохондріальної ДНК. При цьому подібні білки на своєму N-кінці мають спеціальні сигнальні пептиди, розмір яких варіює від 12 до 80 амінокислотних залишків. Дані ділянки формують амфіфільні завитки, забезпечують специфічний контакт білків зі зв'язуючими доменами розпізнаючих мітохондріальних рецепторів, локалізованих на зовнішній мембрані. До зовнішньої мембрани мітохондрії дані білки транспортуються в частково розгорнутому стані асоціації з білками-шаперонами (зокрема - з hsp70). Після перенесення через зовнішню і внутрішню мембрани в місцях їх контактів білки, що надходять в мітохондрію, знову зв'язуються з шаперонами, але вже власного мітохондріального походження, які підхоплюють перетинаючий мембрани білок, сприяють його втягуванню в мітохондрію, а також контролюють процес правильного згортання. Більшість шаперонів має АТФазну активність, внаслідок чого як транспорт білків у мітохондрію, так і утворення їх функціонально активних форм є енергозалежними процесами.
Навіщо мітохондріям своя ДНК? Хоча чому б симбіонти не мати свою ДНК у собі, виробляючи все необхідне на місці? Навіщо переносити частину мітохондріальної ДНК в ядро клітини, створюючи необхідність транспортування продуктів генів в мітохондрії? Чому мітохондрії передаються лише від одного з батьків? Як мітохондрії, отримані від матері, уживаються з геномом клітини, складеним з ДНК матері та батька? Чим більше люди дізнаються про мітохондрії, тим більше питань виникає.
Втім, це стосується не тільки мітохондрій: у будь-якій галузі будь-якої науки розширення сфери знань призводить лише до збільшення її поверхні, що стикається з невідомим, що викликає все нові питання, відповіді на які розширять ту саму сферу з тим самим передбачуваним результатом.
Отже, ДНК сучасних мітохондрій розподілена дуже дивно: невелика частина генів міститься безпосередньо в мітохондріях в кільцевій хромосомі (точніше, в кількох копіях однієї і тієї ж хромосоми в кожній мітохондрії), а велика частина креслень для виробництва складових частин мітохондрії зберігається. Тому копіювання цих генів відбувається одночасно з копіюванням геному всього організму, а вироблені за ними продукти проходять довгий шлях із цитоплазми клітини всередину мітохондрій. Проте це багато в чому зручно: мітохондрія позбавлена необхідності копіювати всі ці гени при розмноженні, зчитувати їх і будувати протеїни та інші складові, зосередившись на своїй головній функції з виробництва енергії. Навіщо ж тоді в мітохондріях все-таки знаходиться невелика ДНК, для обслуговування якої потрібні всі ці механізми, позбавившись яких мітохондрії могли б ще більше ресурсів кинути на основну мету їх існування?
Спочатку припустили, що ДНК, що залишилася в мітохондріях, є атавізмом, спадщиною поглиненої метаногеном про-мітохондрії, що має повний бактеріальний геном. На початку їхнього симбіозу, незважаючи на існування в ядрі тих мітохондріальних генів ( м-генів), які були необхідні для підтримки всередині метаногену комфортної для про-мітохондрії середовища (про це докладно написано про мітохондрії), ті ж гени зберігалися і в кожній з мітохондрій. Про-мітохондрія на початку свого життя як симбіонт виглядала приблизно так само, як сучасна бактерія на схемі ліворуч від цього абзацу.
І дуже повільно через незатребуваність ці гени зникали з мітохондріальної хромосоми в результаті різних мутацій. А ось клітинне ядро накопичувало все більше м-генів, які потрапляли в цитоплазму з зруйнованих симбіонтів-мітохондрій і вбудовувалися в геном химери-еукаріотів. Як тільки м-ген, що свіжовбудувався, починав зчитуватися, клітинні механізми виробляли необхідні мітохондріям продукти, звільняючи симбіонтів від самостійного їх створення. Отже, мітохондріальний аналог гена, що перейшов у ядро, більше не підтримувався в робочому стані природним відбором і стирався мутаціями так само, як усі попередні. Тому логічно було б припустити, що незабаром і ті гени, які все ще залишилися в мітохондріях, перейдуть у ядро, що призведе до великої енергетичної вигоди для еукаріотів: адже з кожної мітохондрії можна буде прибрати громіздкі механізми копіювання, зчитування та виправлення ДНК, а так все необхідне створення протеїнів.
Дійшовши такого висновку, вчені підрахували, за який термін шляхом природного дрейфу з мітохондрії в ядро мали перекочувати всі гени. І виявилось, що цей термін уже давно минув. У момент появи еукаріотичної клітини мітохондрії мали звичайний бактеріальний геном з кількох тисяч генів (вчені встановлюють, яким був цей геном, вивчаючи перенесені в ядро м-гени у різних організмів), а зараз мітохондрії всіх видів еукаріотів втратили від 95 до 99,9% своїх генів. Більше сотні генів у мітохондріях не залишилося ні в кого, але й безгенової мітохондрії теж ні в кого не з'явилося. Якби ключову роль цьому процесі грав випадок, то хоча кілька видів вже пройшли б шлях перенесення генів у ядро остаточно. Але цього не сталося, і вивчені на даний момент мітохондрії різних видів, що втрачають свої гени незалежно один від одного, зберегли один і той же їхній набір, що прямо вказує на необхідність присутності саме цих генів саме в мітохондріях.
Більше того, в інших енерговиробних органелах клітин, хлоропластах, теж є своя ДНК, і так само хлоропласти різних видів еволюціонували паралельно і незалежно, залишившись кожен з тим самим набором генів.
Отже, всі ті значні незручності щодо підтримки власного геному в кожній клітинній мітохондрії (а в середньому в одній клітині міститься кілька сотень!) і громіздкого апарату з його копіювання-виправлення-транслювання (основні, але не всі! його частини ти бачиш на картинці зліва ) чимось переважуються.
І на даний момент існує несуперечлива теорія цього «чогось»: можливість виробляти певні деталі мітохондрії безпосередньо в ній необхідна для регулювання швидкості дихання і підстроювання процесів, що відбуваються в мітохондрії, під щохвилини змінюються потреби всього організму.
Уяви, що в одній із сотень мітохондрій клітини раптом не вистачає елементів дихального ланцюга (докладно про нього дивись у ), або в ній недостатньо АТФ-синтаз. Вона виявляється або перевантаженою їжею і киснем і не може їх досить швидко переробляти, або її міжмембранний простір розпирає від протонів, які нема куди подіти — повна катастрофа загалом. Звичайно ж всі ці відхилення від ідеальної життєвої ситуації запускають множинні сигнали, спрямовані на вирівнювання нахилу корабля, що тоне.
Ці сигнали запускають виробництво саме тих деталей, яких не вистачає мітохондрії в даний момент, активуючи зчитування генів, якими будуються протеїни. Як тільки мітохондрія буде мати достатньо компонентів дихального ланцюга або АТФаз, «крен вирівняється», сигнали про необхідність побудови нових деталей перестануть надходити, і гени знову будуть вимкнені. Це один із напрочуд елегантних у своїй простоті необхідних механізмів саморегуляції клітини, найменше його порушення веде до серйозної хвороби або навіть нежиттєздатності організму.
Спробуємо логічно визначити, де повинні бути необхідні для реакції на цей сигнал лиха гени. Уяви ситуацію, що ці гени знаходяться в ядрі клітини, що містить пару сотень мітохондрій. В одній з мітохондрій виник, наприклад, недолік NADH-дегідрогенази: першого ферменту з дихального ланцюга, чия роль полягає у відриві двох електронів від молекули NADH, передачі їх наступному ферменту та прокачування 2-4 протонів через мембрану.
Насправді такі недоліки якого-небудь ферменту трапляються досить часто, адже вони періодично виходять з ладу, кількість їжі постійно змінюється, потреби клітини в АТФ теж стрибають слідом за стрибками або валяннями організму, цю клітину містить. Тому ситуація дуже типова. І ось мітохондрія випускає сигнал: «треба будувати більше NADH-дегідрогенази!», що виходить її межі, проходить цитоплазмою до ядра, проникає в ядро і запускає зчитування необхідних генів. За клітинними мірками час проходження цього сигналу дуже істотно, адже потрібно ще й витягнути з ядра в цитоплазму побудовану матричну РНК, створити по ній протеїни, переслати їх у мітохондрію.
І ось тут виникає проблема набагато суттєвіша, ніж витрата зайвого часу: при створенні спеціалізованих мітохондріальних протеїнів вони маркуються сигналом «доставити в мітохондрію», але в яку? Невідомо. Тому в кожну з кількох сотень мітохондрій починають надходити протеїни, які їм не потрібні. Клітина витрачає ресурси на їх виробництво та доставку, мітохондрії заповнені зайвими дихальними ланцюгами (що призводить до неефективності дихальних процесів), а та єдина мітохондрія, якій ці протеїни потрібні, не отримує їх у достатній кількості, адже їй дістається у кращому випадку сота частина виробленого. Тому вона продовжує надсилати сигнали лиха, і хаос продовжується. Навіть за цим лірико-поверхневим описом того, що відбувається, зрозуміло, що така клітина нежиттєздатна. І що є гени, які повинні зчитуватися і транслюватися безпосередньо в мітохондрії, щоб регулювати процеси, що відбуваються саме в ній, а не покладатися на запущений партією ядром план виробництва цвяхів. тобто протеїнів дихального ланцюга для всіх мітохондрій відразу.
Перевіривши, що саме виробляється по різних організмах, що залишилися в мітохондріях різних (а значить, і переміщували м-гени в ядро незалежно один від одного), виявили, що це саме елементи для побудови дихальних ланцюгів і АТФази, а так само рибосом (тобто головної частини апарату трансляції).
Докладніше про це (і не тільки) можна прочитати у Лейна в «Енергія, секс, самогубство: мітохондрія та сенс життя». Ну і можна просто порівняти схему мітохондріальної ДНК, де розшифровані продукти, що кодуються (праворуч від цього абзацу), зі схемою дихального ланцюга (вгорі), щоб стало зрозуміло, що саме виробляється в мітохондрії. Звичайно ж, не кожен протеїн, що вбудовується в цей ланцюг, виготовляється на місці, частина їх будується в цитоплазмі клітини. Але основні «якорі», на які чіпляються інші деталі, створюються всередині мітохондрії. Що дозволяє виробляти рівно стільки ферментів, скільки потрібно і саме там, де вони необхідні.
Як мітохондрії пов'язані з сексом і як уживаються різні геноми в одній клітці, напишу в одному з наступних розділів цієї лінії.
