25- Kromoszóma vagyok
Kicsi, de drága.
Amikor most már hangosan kijelentik az emberi genom teljes szekvenálását, akkor általában egy nukleáris genomot jelentenek. Ezzel szemben felejtsük el, hogy a sejtekben vannak olyan DNS-molekulák, amelyek nemcsak a kromoszómákban találhatók meg, hanem az olyan már említett specifikus intracelluláris struktúrákban is, mint például a mitokondriumok. És ez is egy emberi genom, de mitokondriálisnak és DNS-mitokondriálisnak (mitDNA rövidítésnek) hívják. A MitDNA-t néha a 25-es vagy 25-es kromoszómának nevezik. Ezt a DNS-t 1981-ben szekvenálták a már említett F. Senger, amely ugyancsak érzés volt az idejében, azonban viszonylag kisebb volt a rezonancia, mint a nukleáris genom szekvenálása. Mi ez a 25. emberi kromoszóma?
Az emberi sejtben 100-1000 mitokondrium van, amelyek mindegyike 2-10 molekuláris gyűrűs mitokondriumból áll, amelyek hossza 16569 bp. Így a mitokondriális genom mérete körülbelül 200 000-szer kisebb, mint a nukleáris. Érdekes, hogy a mitdNA mérete az emberben az egyik legkisebb a magasabb organizmusok között (eukarióták). Például az élesztőben a mitDNA 78520 bp hosszúságú. A Human mit DNA 37 génből áll, amelyek 13 fehérje láncot, 22 tRNS-t és 2 riboszomális RNS-t (rRNS) kódolnak (30. ábra). A fehérje-láncok olyan fehérjék részét képezik, amelyek főként a legfontosabb intracelluláris folyamatokba kerülnek, az úgynevezett oxidatív foszforiláció, amely a sejtet energiával látja el. A mitokondriumok oxidatív foszforilációjának köszönhetően a sejtek energiájának alapját képező speciális ATP molekulák több mint 90% -a származik.
Ábra. 30. A mitokondriális humán genom szerkezete (mitDNA). A mitDNA 22 gént tartalmaz, amelyek kódolják a tRNS-t, 2 riboszómális gént (16S és 12S rRNS) és 13 fehérjét kódoló gént. A nyilak jelzik a gének átírásának irányát. Rövidítések: ND1-ND6. ND4L - a NADH-dehidrogenáz komplex alegységeinek génjei; COI-COIII - a citokróm-oxidáz alegységei; ATP6. Az ATP-szintetáz alegységek ATP8-génjei; Cyt b - citokróm b gén
Összesen 87 gén vesz részt az oxidatív foszforiláció folyamatában, de az összes hiányzó 74-et nem a mitokondriális, hanem a nukleáris genom kódolja. Érdekes módon a nukleáris genomban olyan helyek találhatók, mint a mitDNA. Feltételezzük, hogy az evolúció és a különböző patológiák során a mitDNA egy része a nukleáris genomba vándorolt.
Fontos, hogy a mitokondriális genom eszköze jelentősen különbözik az atommagtól. Először is, az mtDNS-t gének nagyon kompakt elrendezése jellemzi, mint a baktériumok genomja. A nukleáris genomtól eltérően a mitokondriális gének együtt léteznek egymással, és gyakorlatilag nincs intergénikus hézagok közöttük. Számos esetben egy nukleotid is átfedésben van: az egyik gén utolsó nukleotidja először a következő után. Vagyis a gének mitokondriális DNS-be vannak csomagolva, mint a hering egy hordóban. Ezenkívül a legtöbb mitokondriális gén nem tartalmaz nukleáris génekre jellemző struktúrákat, például intronokat. De ez nem minden különbség. Különösen azt találták, hogy a mitDNA-ra nincs olyan módosítás, mint a metilezés, amely jellemző a nukleáris DNS-re.
A kutatók különleges meglepetése azonban a mitDNA genetikai kódját okozta. Bár a genetikai kód univerzális (csak nagyon kevés kivétellel) az egész világon, egy bizonyos szokatlan változatot használnak a mitokondriumokban. A mitokondriális gének legtöbb kodonja hasonló a nukleáris DNS-hez, de alapvető különbségek is vannak. Az emberi mitDNA-ban négy kodon megváltoztatta jelentését. Az AGA és az AGG kodonok lettek a leállítók. A CAA kodonja, amely a nukleáris DNS-ben végződik, a mitDNA-ban nem csak transzláció leállást okoz, hanem az aminosav triptofánt kódolja. A metionin aminosavat nem egy AUC kodonnal kódolják, hanem a nukleáris genomban kódoló aminosav izoleucint kódoló AUC kodon is.
A MitDNA felelős a sejtben csak néhány mitokondriális fehérje szintéziséért. De ezek a fehérjék nagyon fontosak a sejt számára, mert részt vesznek az egyik legfontosabb folyamat megvalósításában - energiát szolgáltatnak a sejtek számára. Így a mitDNA egy nagyon értékes kiegészítés az Encyclopedia of Man számára. A mitokondriális gének által közvetlenül kódolt fehérjéket közvetlenül a mitokondriumok szintetizálják. Ebből a célból saját RNS polimerázt és saját protein szintézist használunk. Az ok nyilvánvaló - a mitokondriumok genetikai kódja különleges, és speciális bioszintézis rendszert kell alkalmazni.
Nem minden olyan fehérje, amely a mitokondriumok autonóm létezéséhez szükséges, a mitokondriális genom kódolja, és itt szintetizálódik. Ehhez a genomuk túl kicsi. Ezen fehérjék mitokondriális fehérjéinek és egyedi alegységeinek nagy részét az alapvető, azaz a nukleáris genom kódolja, és a sejtek citoplazmájában szintetizálódik. Ezután a mitokondriumokba szállítják, ahol kölcsönhatásba lépnek a mitokondriális DNS által kódolt specifikus fehérjékkel. Így a nukleáris és mitokondriális genomok szoros kapcsolatban állnak egymással.
Miért fordul elő a sejt fejlődése, hogy a DNS egy nagyon kis része nem a sejtmag kromoszómáiban található, hanem külön-külön a mitokondriumban? A genetikai anyag ilyen terjesztésének szükségessége vagy előnye még nem ismert. Ennek a meglepő ténynek a megmagyarázására számos hipotézist találtunk. R. Altman a távoli 1890-es évek közül az egyiket fejezte ki. Ma azonban továbbra is releváns. Ebből a szempontból a mitokondriumok a magasabb organizmusok sejtjeiben jelentek meg, nem az intracelluláris fejlődés és a differenciálódás során, hanem az alacsonyabb aerob szervezettel rendelkező magasabb organizmusok természetes szimbiózisa következtében. Ez a magyarázat azt sugallja, hogy a mitokondriális genetikai kód sűrűbb, mint a nukleáris DNS kódja a modern organizmusokban.
Ezzel együtt egy másik véleményt fejezett ki, amely eddig egyenlő mértékben rendelkezik jogaival. Az utóbbi szerint, miután a gének többsége a mitDNA-ból a nukleáris DNS-hez átjutott a mitokondriumok fehérjeszintézisét biztosító berendezésben, bizonyos mutációk történtek. Annak érdekében, hogy a transzlációs folyamat ne sérüljön meg, speciális mutációkra volt szükség a mitDNA génekben, amelyek "kompenzálják" a zavarokat, és lehetővé teszik a módosított fehérjeszintézis-készülék működésének elvégzését. Ha ebből a feltevésből indulunk ki, akkor a mitokondriális kódot nem kell ősibbnek tekinteni, hanem éppen ellenkezőleg, inkább egy fiatalabbnak.
Meg kell jegyezni, hogy a mitokondriális genom sebezhetőbb, mint a nukleáris genom. Ennek eredményeképpen különböző mutációk gyakran előfordulnak (pontmutációk, kis DNS veszteség-deléciók, és éppen ellenkezőleg, beillesztések-beillesztések). Számos emberi betegség már kialakult a mitokondriában bekövetkezett változásokkal kapcsolatban. Patológiai mutációk szinte minden mitokondriális génben megtalálhatók. Ugyanakkor ugyanazon molekuláris károsodás miatt számos klinikai tünet létezik. A mitokondriális gének és a rák kialakulását mutató mutációk és változások korrelációját találták. Különösen, ismételten megfigyelhető a mell- és a limfómák fokozása a gén átírásának kódoló egyik lánc a komplex részt vevő fehérjék ellátó a sejt energia (alegység II citokróm c-oxidáz). Néhányan szerencsére a ritka, súlyos örökletes emberi betegségeket az egyedi mtDNS-gének mutációi okozzák. Oroszországban most van egy speciális program a mitokondriális betegségek diagnózisára és megelőzésére.
A mitDNA-val kapcsolatos másik meglepő tény az örökséghez kapcsolódik. Kiderült, hogy a mitDNA nemzedékről nemzedékre, alapvetően eltérő módon, a kromoszómális DNS-ből származik. Az emberi test egy megtermékenyített tojássejtből alakul ki, amely mindkét szülő kromoszómáját tartalmazza. A megtermékenyítés során a spermiumok behatol egy tojás, egy sor apai kromoszómák, de alig vagy egyáltalán nem apai mitokondriumok és következésképpen nélkül apai mitDNK. Csak a petesejt biztosítja az embriót a mitokondriumokkal. Ez fontos következményekhez vezet: az mtDNS csak a női vonalon keresztül terjed. Mindannyian kap mitDNK csak az ő anyja, és még korábban a saját, és így tovább, egy sor egyetlen női generáció. A fiúk, a lányoktól eltérően, nem adják át a mitDNA-t - a lánc megszakad. Ily módon a DNS-klónok alkotnak - örökletes vonalak, amelyek csak ága (ha egy nő született több lány), de ellentétben a kromoszomális DNS-t nem lehet kombinálni egy testbe, és új genetikai kombinációk. Éppen ezért érdekes volt összehasonlítani a mitDNA-t különböző emberi etnikai populációk képviselőivel, azaz a fajokkal és a nemzetiségekkel. Az ilyen összehasonlításokat az 1980-as évek végén indították el, és továbbra is ez a nap. Erről többet fogunk beszélni.
Ezért az ilyen alapvető sejtes folyamatok transzkripció, transzláció replikációt és a javító mitDNK nagymértékben függ az maggenomjában de még nem teljesen világos, hogy ez a két genom integrált egymással. Intergenomikus tanulmány interakciós mechanizmusokat hasznos lehet sokféleképpen, különösen megértéséhez integrált képet a különböző humán kórképek, beleértve a rosszindulatú sejtek növekedésére.