A mitokondriális DNS a mitokondriumokban lévő kis körkörös kromoszóma. E legtöbb eukariótában megtalálható sejtszervecskék adják a sejt energiájának nagy részét. A mitokondriumokat, így az mtDNS-t, csak az anya adja át utódjának a petesejten keresztül.A mitokondriális DNS helye humán sejtekbenAz elektronmikroszkóp különböző helyeken is kimutatja az mtDNS-t (vonalak: 200 nm). A: citoplazmatikus szakasz immun-aranyjelöléssel megjelölve anti-DNS antitesttel; az mtDNS-t jelző aranyrészecskék a mitokondriális membrán mellett (fekete pontok jobbra fent) vannak. B: sejtplazma teljes nézete CSK pufferrel való kivonás és immun-aranyjelölés után anti-DNS-sel: az arannyal jelölt mtDNS nem vonható ki.
A humán mitokondriális DNS volt a humán genom első jelentős szekvenált része: ezt még 1981-ben szekvenálták. Ekkor mutatták ki, hogy hossza 16 569 bp, és 13 fehérjét kódol. Más gerincesekhez hasonlóan az ember mitokondriális genetikai kódja is eltér kissé a magitól.
Mivel az állati mtDNS a magi genetikai markereknél gyorsabban fejlődik, a filogenetika és az evolúcióbiológia terén fontos. Ezenkívül lehetővé teszi populációk kapcsolatainak nyomon követését, így az antropológia és a biogeográfia területén is fontos.
Eredet
A magi és a mitokondriális DNS feltehetően eltérő evolúciós eredetűek, ahol a baktériumok körkörös genomjaiból származó mtDNS-t a modern eukarióták ősei kebelezték be. Ez az elmélet az endoszimbionta elmélet. A ma élő fajokban a legtöbb mitokondriális fehérjét (például emlősökben mintegy 1500 különböző típust) a magi DNS kódolja, de ezek egy része feltehetően bakteriális eredetű, és az evolúció során a sejtmagba került át.
Nem ismert annak oka, miért tartottak meg a mitokondriumok egyes géneket. Egyes fajok genom nélküli mitokondriális eredetű sejtszervecskéi alapján a teljes génvesztés lehetséges, és a mitokondriális gének magba kerülése több előnnyel is jár. A távol termelt hidrofób fehérjék mitokondrium felé vitelének nehézsége az egyik hipotézis ennek okára, a redoxiregulációs kolokalizáció a másik, mely a helyi irányítás mitokondriális gépezet feletti előnyét feltételezi. Egy számos mtDNS-t elemző 2016-os kutatás szerint mindkét jellemző okozhatja a mitokondriális gének fennmaradását.
Genomszerkezet és -diverzitás
Az eukariótákban 6 fő mitokondriálisgenom-típus ismert szerkezet (körkörös vagy lineáris), méret, intronok vagy plazmidszerű szerkezetek jelenléte és aszerint, hogy az örökítőanyag 1 molekula vagy homogén vagy heterogén molekulák gyűjteménye.
A kétoldali szimmetriájú állatok többsége körkörös mtDNS-ű. A Medusozoa és a Calcarea azonban lineáris mtDNS-ű fajokat is tartalmaz. Néhány kivételtől eltekintve az állatok mtDNS-e 37 génből áll – 13 fehérjekódoló, 22 tRNS- és 2 rRNS-génből.
Az állati mtDNS-ek átlagos hossza mintegy 16 000 bp. Az Isarachnanthus nocturnus mtDNS-e a leghosszabb az állatok közt, 80 923 bp. A legkisebb ismert állati mtDNS a Vallicula multiformisé, 9961 bp.
2020 februárjában egy medúzákkal rokon parazitáról (Henneguya salminicola) kimutatták, hogy nincs mitokondriális genomja, de rendelkezik mitokondriális eredetű sejtszervecskének tűnő szerkezetekkel, és az aerob légzéshez és mtDNS-replikációhooz és -transzkripcióhoz köthető magi génjei vagy hiányoztak, vagy csak pszeudogénként voltak jelen. Ez az első állat, melyről igazolták, hogy nem rendelkezik aerob légzéssel, és teljesen független az oxigéntől.
Növények és gombák
3 különböző mtDNS-típus van növényekben és gombákban. Az egyik az intronokkal rendelkező körkörös genom (2. típus), melynek hossza 19–1000 kbp, a másik szintén körkörös 20–1000 kbp körüli genom plazmidszerű 1 kbp-os szerkezettel (3. típus), a harmadik a homogén DNS-részekből álló lineáris genom (5. típus).
Az mtDNS géntartalma és mérete a gombák és a növények közt is jelentősen különbözik, de úgy tűnik, vannak alapvető gének, melyek minden mitokondriummal rendelkező eukariótában közösek. Gombák közt azonban nincs minden mitokondriális genomban közös gén. Egyes növények mtDNS-ei hatalmasak: például a Silene conica mtDNS-e mintegy 11 300 000 bp hosszú. Azonban e nagy mtDNS-ek is ugyanannyi és ugyanolyan géneket tartalmaznak, mint a rokon növények sokkal kisebb mtDNS-e. Az uborka (Cucumis sativus) mtDNS-e 3 kerek kromoszómából áll, melyek hossza 1556, 84 és 45 kbp, melyek replikációjuk tekintetében nagyrészt autonómok.
Más eukarióták
Az állatokon, növényeken és gombákon kívüli mtDNS-ek a legsokszínűbbek: 5 különböző típus fordul bennük elő. A 2., 3. és 5. típus előfordulnak növényekben és gombákban is, ahogy 2 egyedi genomtípus is: a 4. és 6. típus (heterogén körkörös, illetve lineáris molekulák csoportja). A 4. és 6. genomtípusok mérete egyenként 1–200 kbp.
A legkisebb szekvenált mitokondriális genom a Plasmodium falciparum 5967 bázispáros mtDNS-e.
Az endoszimbionta géntranszfer, mely a korábban a mitokondriális genomban kódolt gének magi genomba való átkerülése, magyarázhatja, miért kisebb az összetettebb élőlények, például az emberek, mtDNS-e, mint az egyszerűbbeké, például az egysejtűeké.
Genomtípus
Hagyományos ország
Intron
Méret
Alak
Leírás
1
Állatok
Nincs
11–28 kbp
Körkörös
1 molekula
2
Gombák, növények, protiszták
Van
19–1000 kbp
Körkörös
1 molekula
3
Gombák, növények, protiszták
Nincs
20–1000 kbp
Körkörös
Nagy molekula kis plazmidszerű szerkezetekkel
4
Protiszták
Nincs
1–200 kbp
Körkörös
Heterogén molekulák csoportja
5
Gombák, növények, protiszták
Nincs
1–200 kbp
Lineáris
Homogén molekulák csoportja
6
Protiszták
Nincs
1–200 kbp
Lineáris
Heterogén molekulák csoportja
Replikáció
A humán mtDNS két szálát megkülönböztetik, és nehéz és könnyű szálnak nevezik. A mitokondriális DNS-replikációt és -transzkripcióiniciációt 1 génközi nem kódoló régió (NCR) irányítja. Emberben az 1100 bp-os NCR 3 promotert: 2 L- (könnyű száli; LSP és LSP2) és 1 nehéz száli (HSP) promotert tartalmaz. A magi DNS-replikáció kétirányú és meghatározott origójú iniciációjával szemben az mtDNS 2 szálspecifikus egyirányú replikációs origóval rendelkezik a vezető nehéz szálon (OH) az NCR-ben és a köető könnyű szálon (OL) a tRNS-géncsoportban.
A mitokondriális DNS-t a DNS-polimeráz γ komplex másolja, mely 140 kDa-os katalitikus DNS-polimerázból áll, melyet a POLG kódol, és két 55 kDa-os kiegészítő egységből, melyeket a POLG2 kódol. A repliszómaszerkezetet a DNS-polimeráz, a TWINKLE és a mitokondriális SSB-fehérjék alkotják. A TWINKLE helikáz, mely rövid dsDNS-szakaszokat bont fel 5′–3′ irányban. E fehérjéket a magi genom kódolja.
Embriogenezis során az mtDNS-replikáció jelentősen csökken a megtermékenyített petesejttől a beágyazódás előtti embrióig. A sejtenkénti mtDNS-példányszám emiatti csökkenése szerepet játszik a mitokondriális palacknyakhatásban, kihasználva a sejtenkénti változékonyságot a káros mutációk öröklődésének csökkentéséhez. Justin St. John et al. szerint „a blasztocisztaállapot során az mtDNS-replikáció csak a trofektoderma sejtjeiben történik. Ezzel szemben az embrioblaszt sejtjei korlátozzák az mtDNS-replikációt, amíg jelt kapnak arra, hogy meghatározott sejtekké differenciálódjanak”.
DNS-javítás
Bár több DNS-javító útról számoltak be a mitokondriumokban, a báziseltávolításos a legrészletesebben leírt út. Az mtDNS-karbantartó fehérjéket magi gének kódolják, és a mitokondriumba szállíttatnak. A humán mitokondriumok képesek a hibás DNS-bázispárok javítására a magi hibásbázispár-javítástól eltérő úton. E külön mitokondriális út része az Y-box-kötő 1-es fehérje (YB-1 vagy YBX1) aktivitása, mely feltehetően a hibás bázispárok kötésében és felismerésében vesz részt. A mitokondriumspecifikus DNS-javító mechanizmusok a mitokondriális DNS oxidatív foszforilációs rendszerhez, így az ATP-termeléskor keletkező DNS-károsító reaktív oxigénszármazékokhoz való közelségére utalhat.
Sematikus kariogram a humán genomról, 23 pár kromoszómával és a mitokondriális genommal (jobbra lent, MT rövidítéssel). Ez utóbbi a többihez képest kicsi, és sejtenkénti példányszáma 0 (eritrocita) és 1 500 000 (petesejt) közt változik.
A humán mtDNS két szála a nehéz és a könnyű szál. A nehéz szál guaninban gazdag, és az oxidatív foszforilációs rendszer 13 alegységéből 12-t, 2 riboszomális RNS-t (12S és 16S) és 14 transzfer-RNS-t (tRNS) kódol. A könnyű szál az oxidatív foszforilációs rendszer 1 alegységét kódolja, valamint 8 tRNS-t. Így együtt az mtDNS 2 rRNS-t, 22 tRNS-t és 13 fehérjét kódol, ez utóbbiak mindegyike az oxidatív foszforilációs folyamat része.
A legtöbb (de nem mindegyik) fehérjekódoló régió közt találhatók tRNS-ek. Transzkripció során a tRNS-ek jellemző L alakjukat veszi fel, melyet meghatározott enzimek felismernek és leválasztanak. A mitokondriális RNS-feldolgozás során az egyes mRNS-, rRNS- és tRNS-szekvenciák leválnak a primer transzkriptumról. A hajtogatott tRNS-ek így szekunder szerkezeti pontosítás működnek.
A transzkripciót az 1 fehérjéből álló mitokondriális RNS-polimeráz (POLRMT) végzi. Két kiegészítő faktorral, a mitokondriális transzkripciós faktor A-val (TFAM) és B2-vel (TFB2M) együtt a POLRMT felismeri a promotereket és elindítja a transzkripciót. A transzkripció eredményei policisztronos transzkriptumok, melyek önálló mitokondriális RNS-szemcsékben válnak önálló mRNS-ekké, tRNS-ekké és rRNS-ekké.
Transzkripciószabályzás
A nehéz és könnyű szálak transzkripcióját indító promoterek az mtDNS fő nem kódoló részében, az eltoló körben (D-kör) találhatók. Bizonyított, hogy a mitokondriális rRNS-ek transzkripcióját a nehéz száli 1. promoter (HSP1) irányítja, és a policisztronos fehérjekódoló RNS-ek átírását a HSP2 szabályozza.
Az mtDNS-kódolt RNS-ek marhaszövetekben végzett mérése kimutatta, hogy a mitokondriális RNS-ek expressziójában jelentős különbségek vannak a teljes szöveti RNS-hez képest. A 12 vizsgált szövet közt expressziójuk legmagasabbnak a szívben bizonyult, ezt követték az agy és a szteroidogén szövetminták.
Az ACTH trofikus hormon hatása alapján is látható, hogy a mitokondriális gének expresszióját erősen szabályozhatják külső tényezők, feltehetően az energiatermeléshez szükséges mitokondriális fehérjék szintézisének javításához. Azonban bár a fehérjekódoló gének expresszióját az ACTH stimulálja, a 16S rRNS szintje nem változik jelentősen.
Mitokondriális öröklődés
A legtöbb többsejtűben az mtDNS anyai ágon öröklődik. Ennek mechanizmusa lehet egyszerű felhígulás (egy petesejt átlagosan 200 000 mtDNS-részecskét tartalmaz, míg az egészséges humán hímivarsejt 5-öt), a hímivarsejt-mtDNS lebomlása a hím szaporító szervrendszerben vagy a megtermékenyített petesejtben vagy – legalábbis néhány fajban – az, hogy a hímivarsejt-mtDNS nem kerül a petesejtbe. Mechanizmustól függetlenül ez az uniparentális öröklődés található meg a legtöbb állatban és növényben, valamint gombákban is.
Egy 2018-as tanulmányban kimutatták, hogy az újszülött emberek apjuktól és anyjuktól is örökölnek mtDNS-t, heteroplazmiát okozva, de ezt más tudósok cáfolták.
Anyai ági öröklődés
Ivaros szaporodás során a mitokondriumok általában kizárólag anyai ágon öröklődnek: a hímivarsejtek mitokondriumait megtermékenyítés után a petesejt lebontja. Ezenkívül a mitokondriumok csak a középső szakaszban vannak, melyet a hímivarsejtek előrehaladáshoz használnak, és alkalmanként ez is eltűnik a megtermékenyítéskor a farokkal együtt. 1999-ben írták le, hogy a hímivarsejt mitokondriumait, bennük az mtDNS-sel, ubikvitinnel jelölik a fehérjék későbbi lebontásra az embrióban. Egyes in vitro fertilizációs technikák, melyek oocitába injektálnak hímivarsejtet, ebbe beavatkozhatnak: például az intracitoplazmás hímivarsejt-beültetés esetén előfordulhat a lebontás teljes hiánya is.
A tény, hogy az mtDNS többnyire anyai ágon öröklődik, lehetővé teszi a családfakutatóknak az anyai ág követését távoli időkre. (Az apai ágon öröklődő Y-kromoszóma ennek megfelelő módszer az apai ág történetének követésére.) Ezt általában a humán mitokondriális DNS-en a hiperváltozó kontrollrégiók (HVR1, HVR2) vagy alkalmanként a teljes mtDNS szekvenálásával végzik mint genealógiai DNS-tesztet. A HVR1 például mintegy 440 bázispárból áll. Ezeket más emberek (akár meghatározott, akár adatbázisban szereplő emberek) azonos szakaszával hasonlítják össze az anyai ági származás meghatározásához. Általában az összehasonlítás az új Cambridge-referenciaszekvenciával történik. Vilà et al. így mutatták ki a kutyák anyai ági leszármazását a farkasoktól. A mitokondriális Éva fogalma ugyanezen alapul, mely az ember eredetét kutatja a leszármazás időbeli visszakövetésével.
A mitokondriális palacknyak
Az egyszülős öröklődésnek kitett és kevés rekombinációval rendelkező fajok a Muller-folyamatnak vannak kitéve, mely káros mutációk felhalmozódása a működés elvesztéséig. Az állati mitokondriumok ezt mtDNS-palacknyakkal kerülik el: ez a sejtben történő véletlen folyamatokat kihasználja a sejtközi különbségek növelésére a fejlődés során egy meghatározott arányú mutáns mtDNS-t tartalmazó petesejt így különböző és különböző mutációs terhelésű sejtekből álló embriót hoz létre. A sejtszintű szelekció ezután a több mutáns mtDNS-sel rendelkező sejteket eltávolíthatja, stabilizálva vagy csökkentve a mutációs terhelést generációk során. A palacknyak mechanizmusa vitatott, egy 2015-ös matematikai és kísérleti metatanulmány szerint viszont a sejtosztódás során létrejövő véletlenszerű mtDNS-eloszlás és a sejteken belüli véletlenszerű mtDNS-termelése magyarázza.
Apai ági mitokondriális DNS-öröklődés ismert a Plymouth Rock tyúkfajtában. Bizonyíték van ezenkívül egyes emlősökben ritkán előforduló apai ági mtDNS-öröklésről is: például dokumentált esetek vannak egerek esetén, ahol az apai ági mitokondriumok kilökődtek. Megtalálható továbbá bárányban és klónozott marhában is. Ritka esetek ismertek embernél is, de ezek vitatottak. Bár sok ilyen eset részei klónozott embriók vagy az apai mitokondriumok kilökődése, mások viszont in vivo öröklődést és állandóságot mutattak ki laboratóriumban.
Kettős egyszülős mtDNS-öröklődés figyelhető meg kagylókban. Ezeknél a nőstények 1 mtDNS-típust (F) hordoznak, akárcsak a hímek testi sejtjei, de utóbbiak csíravonalsejtjei M-típusú mtDNS-t hordoznak, mely akár 30%-kal is eltérhet. Az apai ágon öröklődő mitokondriumok jelensége ismert egyes rovaroknál is, például a Drosophila, Apis nemeknél és a periodikus kabócák esetén is.
Egy IVF-technika, a mitokondriális adományozás, más néven háromszülős megtermékenyítés olyan utódot eredményez, akinek magi DNS-e az anyától és az apától származik, mtDNS-e azonban női donortól. Az orsótranszfer során egy petesejt magja egy donorénak citoplazmájába kerül, melynek eredeti sejtmagját eltávolították, de a donor mtDNS-ével rendelkezik. Az összetett petesejtet ezután az apa hímivarsejtjével termékenyítik meg. E folyamatot akkor használják, ha egy genetikailag hibás mitokondriumú nő egészséges mitokondriumú utódot szeretne. Az első ilyen úton született gyermek jordániai pár Mexikóban, 2016. április 6-án született gyermeke.
Mutációk és betegségek
A humán mitokondriális DNS a fehérje-, rRNS- és tRNS-kódoló génekkelAz mtDNS szerepe egyes humán betegségekben
Hajlam
Az, hogy az mtDNS különösen hajlamos az elektrontranszportlánc során keletkező reaktív oxigénszármazékokkal való reakcióra ahhoz való közelsége miatt, vitatott. mtDNA does not accumulate any more oxidative base damage than nuclear DNA. 2002-ben Thorslund et al. leírták, hogy a mitokondriumok az oxidatív DNS-károsodás legalább egy részét hatékonyabban javítják, mint a sejtmag. Az mtDNS fehérjékkel együtt van, melyek olyan védőmechanizmust adhatnak, mint a magi kromatinéi. Továbbá a mitokondriumok egyedi módszert fejlesztettek ki, mely az mtDNS integritását fenntartja a túl károsodott genomok érintetlen vagy javított mtDNS replikációja által követett lebontásával. E mechanizmus nincs jelen a magban, és a mitokondriumokban több példányban jelenlévő mtDNS teszi lehetővé. Az mtDNS mutációinak kimenetele egyes fehérjéket kódoló utasítások változása lehet, mely befolyásolhatja az élőlény anyagcseréjét vagy rátermettségét.
A mitokondriális DNS mutációi számos betegséghez, például edzésintoleranciához vagy Kearns–Sayre-szindrómához (KSS) vezethetnek, mely a szív-, szem- és izommozgások teljes elvesztését okozhatja. Egyes bizonyítékok szerint a mitokondriális mutációk az öregedéshez és az öregedéssel összefüggő betegségekhez is hozzájárulhatnak. Particularly in the context of disease, the proportion of mutant mtDNA molecules in a cell is termed heteroplasmy. The within-cell and between-cell distributions of heteroplasmy dictate the onset and severity of disease and are influenced by complicated stochastic processes within the cell and during development.
A mitokondriális tRNS-ek mutációi felelhetnek számos súlyos betegségért, például a MELAS-ért és a MERRF-ért.
A mitokondriumokban használt fehérjéket kódoló magi gének mutációi is mitokondriális betegségeket okozhatnak. E betegségek nem mitokondriális, hanem mendeli öröklődési mintát követnek.
A betegségvizsgálatban
Negatív prosztatabiopszia esetén egy mtDNS-mutáció vizsgálatával mutatható ki prosztatarák. Az mtDNS-változások a rákos betegek testfolyadékaiban is kimutathatók. Az mtDNS-re a sok polimorfizmus és mutáció jellemző. Ezeket egyre jobban felismerik a betegségek fontos okaként például oxidatív foszforilációs zavarokban, anyai ágon örökölt diabétesz és siketségben (MIDD), 2-es típusú cukorbetegségben, neurodegeneratív betegségekben, szívelégtelenségben és rákban.
Kapcsolat az öregedéssel
Bár vitatott, egyes bizonyítékok az öregedés és a mitokondriális genom diszfunkciója közt kapcsolatot mutattak ki. Gyakorlatilag az mtDNS-mutációk megsértik a reaktív oxigénszármazékok (ROS) termelését és enzimatikus (például a szuperoxid-dizmutázhoz, katalázhoz, glutation-peroxidázhoz hasonló enzimek általi) lebontását. Azonban egyes ROS-termelést például az antioxidánsok védelmének csökkenésével növelő mtDNS-mutációk a férgek élettartamát növelhetik, nem pedig csökkentik. Ezenkívül az egerekhez hasonló méretű csupasz turkáló az egereknél mintegy 8-szor tovább él, bár hozzájuk képest kisebb antioxidáns védekezésük van, és nagyobb az őket érő oxidatív károsodás. Egykor feltételezték, hogy pozitív visszacsatolás (ördögi kör) okozza a mitokondriális DNS-károsoddást, mely a mitokondriumok funckióvesztéséhez és szabad gyökök citoszolba kerüléséhez vezethetnek. A mitokondriális funkció csökkenése pedig csökkenti az anyagcsere hatékonyságát. Ezt azonban cáfolták Trifunovic et al., amikor kimutatták, hogy a genetikailag az ez előrejelzések szerint gyorsabb öregedést okozó több mtDNS-mutáció felhalmozására megváltoztatott egerekben nem mutattak kki több ROS-t, ami ellentmond az ördögikör-elméletnek. Az élettartam és az mtDNS kapcsolatát alátámasztó tanulmányok korrelációt mutattak ki az mtDNS biokémiai tulajdonságai és a fajok élettartama közt. A mitokondriumspecifikus ROS-bontó anyag alapján, mely a kutatott egerek jelentős élettartam-növekedését okozza, a mitokondriumok mégis kapcsolatban lehetnek az öregedéssel. Számos tanulmány folyik e kapcsolat vizsgálata és az öregedés gátlása terén. A génterápia és a nutraceutikumok is sok mai kutatásban szerepelnek a mitokondriumokkal kapcsolatban is. Bjelakovic et al. 78, 1997–2012 közti tanulmányt vizsgáltak összesen 296 707 résztvevővel, és kimutatták, hogy az antioxidánsok nem csökkentik a minden ok miatti halálozást, és nem növelik az élettartamot, de egyesek, például a β-karotin, az E-vitamin és a magasabb A-vitamin-dózis növelhetik a mortalitást. Egy 2022-es tanulmányban Gureev et al. kimutatták, hogy az étrendkorlátozás csökkentheti az öregedést az mtDNS-károsodás befolyásolásával számos patkányszervben: például meggátolta a cortex és csökkentette a tüdő és a here korral összefüggő mtDNS-károsodását.
Az Alzheimer-kóros betegek emelkedett DNS-oxidációt mutatnak magi és mtDNS-ben egyaránt, de utóbbi mintegy 10-szer jobban károsodik. Bonda et al. szerint az elöregedett mitokondriumok a kritikus tényezők a neurodegeneráció eredetében. Alzheimer-kóros betegek agyai vizsgálata csökkent DNS-javítást mutatott, csökkentve így az mtDNS minőségét is.
A Huntington-kórban a mutáns huntingtinmitokondriális diszfunkciót okoz, melynek része az elektrontranszport gátlása, a magasabb ROS-szint és a megnövekedett oxidatív stressz. Ez növeli az mtDNS és a magi DNS oxidatív károsodását egyaránt, ami hozzájárulhat a Huntington-kór tüneteihez.
A 8-oxoguanin (8-oxoG), a DNS-oxidáció egyik terméke az oxidatív DNS-károsodás jól ismert markere. Amiotrófiás laterálszklerózis (ALS) esetén az általában a gerincvelői mozgatóneuronok mtDNS-ének 8-oxoG-károsodását javító enzimek hibásak. Így az itt történő mtDNS-oxidáció jelentős tényező lehet az ALS etiológiájában.
Az mtDNS bázisösszetétele és az állatok élettartamának kapcsolata
Állatfajok mtDNS-ének az AnAge adatbázisban szereplő maximális élettartamokhoz rendelt összetétele a MitoAge alapján.
A 2000-es évektől egy Vadim Freifeld professzor által vezetett izraeli kutatócsoport erős és jelentős korrelációkat mutatott ki az mtDNS összetétele és az állatfaj-specifikus maximális élettartamok közt. Munkájukban leírták, hogy az mtDNS magasabb guanin- és citozintartalma (GC%) erősen összefügg a hosszabb maximális élettartamokkal állatfajok közt. További megfigyelése, hogy e korreláció független az anyagcsere és a maximális élettartam jól ismert korrelációjától. Az mtDNS GC%-a és a nyugalmi anyagcsere multiplikatívan magyarázzák az állatfajok maximális élettartamának különbségeit (vagyis , ahol a maximális élettartam, Q az anyagcsere-sebesség. A tudományos közösség segítésére az mtDNS és élettartam összehasonlításában 2016-ban létrehoztak egy adatbázist MitoAge néven.
Az mtDNS-mutációs spektrum érzékeny a fajspecifikus élettörténeti jellemzőkre
A DNS-replikációs hibák vagy endogén és exogén mutagének miatti javítatlan sérülés okozhatnak de novo mutációkat. Sokáig feltételezték, hogy az mtDNS különösen érzékeny a reaktív oxigénszármazékok (ROS) miatti károsodásra, azonban a magi genom oxidatív károsodását jelző G>T szubsztitúciók különösen ritkák az mtDNS-ben, és mennyiségük a korral nem nő. Több száz emlősfaj mtDNS-ének mutációs spektruma összehasonlítása alapján a hosszabb élettartamú fajok az egyszálú nehéz láncokon több A>G szubsztitúcióval rendelkeznek. E felfedezés vezetett a hipotézishez, mely szerint az A>G a korral összefüggő oxidatív károsodás mitokondriális markere. Ez a szelektív hipotézissel szemben mutációs magyarázatot ad a hosszú életű fajok GC-gazdag mtDNS-ére: ezek egyszerűen torzult mutagenezisük miatt váltak GC-gazdaggá. z mtDNS mutációs spektruma és a fajspecifikus életciklus-jellemzők közti összefüggés az emlősökben lehetőséget ad e tényezők új élettörténet-specifikus mutagének felfedezésével való összekapcsolására a különböző élőlénycsoportokban.
Kapcsolat a nem B- (nem kanonikus) DNS-szerkezetekkel
A deléciós töréspontok gyakoriak a nem kanonikus (nem B) konformációjú helyeken vagy azok közelében, például a hajtűknél, kereszteknél és lóhereszerű elemeknél. Ezenkívül a hélixtorzító ívelt szakaszok és a hosszú G-tetrádok is instabilitással összefüggő eseményeket okoznak, ezenkívül a nagyobb töréspontsűrűségek gyakoribbak a magasabb GC-gyakoriságú helyeken és az elfajult YMMYMNNMMHM szakaszok közelében.
Az igazságügyben
A magi DNS-sel szemben, mely kétszülős öröklődést mutat, és ahol a gének a rekombináció során átrendeződnek, általában nincs eltérés az mtDNS-ben a szülő és a gyermek közt. Bár az mtDNS is rekombinál, ezt a közös mitokondriumban lévő saját példányaival teszi. Ezért és az állati mtDNS magiénál magasabb mutációs sebessége miatt hasznos eszköz a felmenők nyomon követésére női ágon, így számos faj ősei nyomon követésére is használták több száz generáción keresztül.
Az mtDNS-tesztet igazságügyi kutatók használhatják olyan esetekben, amikor a magi DNS erősen lebomlott. A testi sejtek csak 2 példányban rendelkeznek magi DNS-sel, de mtDNS-ük több száz példányban is szerepelhet a sejtekben lévő sok mitokondrium miatt. Így az STR-elemzés terén haszontalanná bomlott bizonyíték használható mtDNS-elemzésben. Az mtDNS lehet csontokban, fogakban vagy hajban, melyek súlyos bomlás esetén kizárólagos maradványok lehetnek. Az STR-elemzéssel szemben az mtDNS-szekvenálás Sanger-szekvenálást használ. Az ismert és a kérdéses szekvenciát összehasonlítják az új Cambridge-referenciaszekvenciával a megfelelő haplotípusok létrehozására. Ha az ismert és a kérdéses szekvencia azonos anyai vonalról származik, szekvenciájuk és az rCRS-től való eltéréseik valószínűleg azonosak. Cases arise where there are no known samples to collect and the unknown sequence can be searched in a database such as EMPOP. The Scientific Working Group on DNA Analysis Methods recommends three conclusions for describing the differences between a known mtDNA sequence and a questioned mtDNA sequence: exclusion for two or more differences between the sequences, inconclusive if there is one nucleotide difference, or inability to exclude if there are no nucleotide differences between the two sequences.
Az állatokban jelentkező gyors mutációs arány hasznossá teszi az egyes fajokon belüli élőlények vagy csoportok genetikai kapcsolatai és a különböző fajok közti filogenetikai – evolúciós – kapcsolatok vizsgálatára Ehhez a biológusok különböző élőlények vagy fajok mtDNS-szekvenciáit határozzák meg és hasonlítják össze. Az összehasonlításokból nyert adatok alapján a the comparisons is used to construct a network of relationships among the sequences, which provides an estimate of the relationships among the individuals or species from which the mtDNAs were taken. mtDNA can be used to estimate the relationship between both closely related and distantly related species. Due to the high mutation rate of mtDNA in animals, the 3rd positions of the codons change relatively rapidly and thus provide information about the genetic distances among closely related individuals or species. On the other hand, the substitution rate of mt-proteins is very low, thus amino acid changes accumulate slowly (with corresponding slow changes at 1st and 2nd codon positions) and thus they provide information about the genetic distances of distantly related species. Statistical models that treat substitution rates among codon positions separately, can thus be used to simultaneously estimate phylogenies that contain both closely and distantly related species
Az Amerikai Egyesült Államokban először a State of Tennessee v. Paul Ware bírósági esetben használták bizonyítékként 1996-ban.
Az 1998-as Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynne Rorrer bírósági eset volt Pennsylvaniában az első, mely az mtDNS-t bizonyítékként használta. Az eset a Forensic Files 5. évadának 55. részében is szerepelt.
A mitokondriális DNS-t Kaliforniában bizonyítékként először David Westerfield elítélésekor használták a 7 éves Danielle van Dam 2002-es meggyilkolásával kapcsolatban, San Diegóban: ember és kutya azonosítására egyaránt használták. Ez volt az első amerikai egyesült államokbeli per kutya-DNS-sel a bizonyítékok közt.
Az 1485-ben elhunyt III. Richárd angol király maradványait mtDNS-e nővérének két, 2013-ban – 528 évvel a király halála után – élő anyai ági leszármazottjával való összehasonlításával azonosították.
Az evolúciós biológiában és a rendszertanban
Az mtDNS állandósult szerkezet az eukarióták közt a mitokondriumok szerepe miatt a sejtlégzésben. Azonban a magi DNS-hez képest kevésbé hatékony DNS-javítás miatt mutációs sebessége viszonylag magas (de lassabb, mint más DNS-részleteké, például a mikroszatelliteké), ami hasznossá teszi az élőlények filogenetikai kapcsolatának vizsgálatában. Így meghatározhatók és összehasonlíthatók a különböző fajok mtDNS-szekvenciái, ezek alapján pedig evolúciós családfa állítható össze.
Például míg az ember és a csimpánz magi génjei közel azonosak, mitokondriális genomjaik 9,8%-ban eltérnek. A humán és gorilla-mitokondriálisgenomok különbsége 11,8%, ez alapján feltételezhető, hogy az ember a csimpánzoknak közelebbi rokona lehet, mint a gorilláknak.
mtDNS a magi DNS-ben
Több mint 66 000 ember teljes genomjának szekvenálásával 2022-ben kimutatták, hogy egyesek magi genomjában mitokondriális DNS található. E magi-mitokondriális szakaszok (NUMT) több mint 90%-a az emberek közeli rokonaiktól való elkülönülése után alakult ki. Az ily transzfer jelenleg akár mintegy minden 4000. emberben előfordulhat.
Sokkal gyakrabban kerül sejtszervecske-DNS a magba, mint korábban hitték. E megfigyelés is alátámasztja az endoszimbionta elméletet, mely szerint az eukarióták mitokondriumai endoszimbionta baktériumokból alakultak ki, melyek sejtszervecskékké alakultak, miközben DNS-ük nagy része a magba került át, így a sejtszervecskegenom jelentősen csökkent.
Történet
A mitokondriális DNS-t az 1960-as években fedezték fel Margit M. K. Nass és Sylvan Nass elektronmikroszkópiával mitokondriális dezoxiribonukleázszenzitív szálakként és Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy és Gottfried Schatz által erősen tisztított mitokondriális frakciók biokémiai assay-iben.
Mitokondriálisszekvencia-adatbázisok
Több specializált adatbázis létezik mitokondriális genomszekvenciákhoz és más információkhoz. Bár a legtöbb szekvenciaadatokra összpontosít, egyesek filogenetikai vagy funkcionális információt is tartalmaznak.
AmtDB: ősi humán mitokondriális genomok adatbázisa.
InterMitoBase: jelzett adatbázis és elemzőplatform humán mitokondriumok fehérje-fehérje kölcsönhatásaihoz. (legutóbb 2010-ben frissülhetett, de elérhető)
MitoBreak: mtDNS-töréspont-adatbázis.
MitoFish és MitoAnnotator: halmitokondriálisgenom-adatbázis.
Mitome: adatbázis állatok összehasonlító mitokondriális genomikájához (nem elérhető)
MitoRes: állatok magban kódolt mitokondriális génjei és termékeik adatbázisa (feltehetően nem frissül)
MitoSatPlant: a Viridiplantae mitokondriális mikroszatellitjei adatbázisa.
MitoZoa 2.0: adatbázis állatok mitokondriális genomjai összehasonlító és evolúciós elemzésére. (nem elérhető)
mtDNS–fenotípus kapcsolatok adatbázisai
Genomszintű kapcsolati tanulmányok alapján meghatározhatók az mtDNS-gének és mutációik és a fenotípusok, például az élettartam és a betegségek kockázata közti összefüggések. 2021-ben az mtDNS-t vizsgáló legnagyobb genomszintű kapcsolati tanulmány a UK Biobank alapján 260 új kapcsolatot mutatott ki különböző fenotípusokkal, például az élettartammal és betegségek, például a 2-es típusú cukorbetegség kockázatával.
Mitokondriálismutáció-adatbázisok
Több specializált adatbázis létezik, melyek a humán mitokondriális DNS polimorfizmusait és mutációit tartalmazzák azok patogén hatásai vizsgálatával együtt.
MitImpact: Előre számított patogenitás-előrejelzések nem szinonim mutációkat okozó nukleotidváltozásokkal humán mitokondriális fehérjekódoló génekben.
MITOMAP: Humán mtDNS-polimorfizmusok és mutációk gyűjteménye.
↑Hassanin A, An J, Ropiquet A, Nguyen TT, Couloux A (2013. március). "Combining multiple autosomal introns for studying shallow phylogeny and taxonomy of Laurasiatherian mammals: Application to the tribe Bovini (Cetartiodactyla, Bovidae)". Molecular Phylogenetics and Evolution. 66 (3): 766–775. Bibcode:2013MolPE..66..766H. doi:10.1016/j.ympev.2012.11.003. PMID23159894.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑van der Giezen M, Tovar J, Clark CG (2005). "Mitochondrion-Derived Organelles in Protists and Fungi". A Survey of Cell Biology. International Review of Cytology. Vol.244. 175–225.o. doi:10.1016/S0074-7696(05)44005-X. ISBN978-0-12-364648-4. PMID16157181.{{cite book}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑"Mitochondrial DNA (mtDNA)"(PDF). Integrated DNA Technologies. 2016. július 29. dátummal az eredeti(PDF) címről archiválva. Hozzáférés: 2016. február 25.
123Barshad G, Marom S, Cohen T, Mishmar D (2018. szeptember). "Mitochondrial DNA Transcription and Its Regulation: An Evolutionary Perspective". Trends in Genetics. 34 (9): 682–692. doi:10.1016/j.tig.2018.05.009. PMID29945721. S2CID49430452.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Falkenberg M, Larsson NG, Gustafsson CM (2007. június 19.). "DNA replication and transcription in mammalian mitochondria". Annual Review of Biochemistry. 76 (1): 679–699. doi:10.1146/annurev.biochem.76.060305.152028. PMID17408359.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Cree LM, Samuels DC, de Sousa Lopes SC, Rajasimha HK, Wonnapinij P, Mann JR, Dahl HH, Chinnery PF (2008. február). "A reduction of mitochondrial DNA molecules during embryogenesis explains the rapid segregation of genotypes". Nature Genetics. 40 (2): 249–254. doi:10.1038/ng.2007.63. PMID18223651. S2CID205344980.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Cao L, Shitara H, Horii T, Nagao Y, Imai H, Abe K, Hara T, Hayashi J, Yonekawa H (2007. március). "The mitochondrial bottleneck occurs without reduction of mtDNA content in female mouse germ cells". Nature Genetics. 39 (3): 386–390. doi:10.1038/ng1970. PMID17293866. S2CID10686347.{{cite journal}}: Invalid |display-authors=6 (súgó)CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Wai T, Teoli D, Shoubridge EA (2008. december). "The mitochondrial DNA genetic bottleneck results from replication of a subpopulation of genomes". Nature Genetics. 40 (12): 1484–8. doi:10.1038/ng.258. PMID19029901. S2CID225349.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Passamonti M, Ghiselli F (2009. február). "Doubly uniparental inheritance: two mitochondrial genomes, one precious model for organelle DNA inheritance and evolution". DNA and Cell Biology. 28 (2): 79–89. doi:10.1089/dna.2008.0807. PMID19196051.
↑Guliaeva NA, Kuznetsova EA, Gaziev AI (2006). "[Proteins associated with mitochondrial DNA protect it against the action of X-rays and hydrogen peroxide]". Biofizika (orosz nyelven). 51 (4): 692–697. PMID16909848.{{cite journal}}: Unknown parameter |transtitle= ignored (|trans-title= suggested) (súgó)CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Hogan CM (2010). "Mutation". In Monosson E, Cleveland CJ (ed.). Encyclopedia of Earth. Washington DC: National Council for Science and the Environment. 2011. április 30. dátummal az eredetiből archiválva. Hozzáférés: 2011. április 18.
↑Guillausseau PJ, Dubois-Laforgue D, Massin P, Laloi-Michelin M, Bellanné-Chantelot C, Gin H, Bertin E, Blickle JF, Bauduceau B, Bouhanick B, Cahen-Varsaux J, Casanova S, Charpentier G, Chedin P, Derrien C, Grimaldi A, Guerci B, Kaloustian E, Lorenzini F, Murat A, Olivier F, Paques M, Paquis-Flucklinger V, Tielmans A, Vincenot M, Vialettes B, Timsit J; GEDIAM, Mitochondrial Diabetes French Study Group (2004). "Heterogeneity of diabetes phenotype in patients with 3243 bp mutation of mitochondrial DNA (Maternally Inherited Diabetes and Deafness or MIDD)". Diabetes Metab. 30 (2): 181–186. doi:10.1016/s1262-3636(07)70105-2. PMID15223991.{{cite journal}}: Unknown parameter |month= ignored (súgó)CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Kikuchi H, Furuta A, Nishioka K, Suzuki SO, Nakabeppu Y, Iwaki T (2002. április). "Impairment of mitochondrial DNA repair enzymes against the accumulation of 8-oxo-guanine in the spinal motor neurons of amyotrophic lateral sclerosis". Acta Neuropathologica. 103 (4): 408–414. doi:10.1007/s00401-001-0480-x. PMID11904761. S2CID2102463.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Lehmann G, Budovsky A, Muradian KK, Fraifeld VE (2006). "Mitochondrial genome anatomy and species-specific lifespan". Rejuvenation Research. 9 (2): 223–6. doi:10.1089/rej.2006.9.223. PMID16706648.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
12Lehmann G, Segal E, Muradian KK, Fraifeld VE (2008. április). "Do mitochondrial DNA and metabolic rate complement each other in determination of the mammalian maximum longevity?". Rejuvenation Research. 11 (2): 409–417. doi:10.1089/rej.2008.0676. PMID18442324.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
↑Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynne Rorrer.Text
↑Garlicki D (1998. március 11.). "DNA Tests Got Rorrer Life in Jail". The Morning Call.
↑Pellegrino P, Thomas P (2000), "Forensic files. a woman scorned Episode 55", Courtroom Television Network (angol nyelven), Medstar Television, OCLC456260156
Az itt található információk kizárólag tájékoztató jellegűek, nem minősülnek orvosi szakvéleménynek, nem pótolják az orvosi kivizsgálást és kezelést. A cikk tartalmát a Wikipédia önkéntes szerkesztői alakítják ki, és bármikor módosulhat.