Mitochondrijų DNR perkėlimas. Apie mitochondrijų DNR tyrimo svarbą

Mitochondrijų DNR, esanti matricoje, yra uždara žiedinė dvigrandė molekulė žmogaus ląstelėse, kurios dydis yra 16569 nukleotidų poros, o tai yra maždaug 10 5 kartus mažesnė nei DNR, lokalizuota branduolyje. Iš viso mitochondrijų DNR koduoja 2 rRNR, 22 tRNR ir 13 kvėpavimo grandinės fermentų subvienetų, o tai sudaro ne daugiau kaip pusę joje randamų baltymų. Visų pirma, septyni ATP sintetazės subvienetai, trys citochromo oksidazės subvienetai ir vienas ubichinolio-citochromo subvienetas yra užkoduoti kontroliuojant mitochondrijų genomą. Su- reduktazė. Šiuo atveju visi baltymai, išskyrus vieną, dvi ribosomines ir šešias tRNR, yra transkribuojami iš sunkesnės (išorinės) DNR grandinės, o 14 kitų tRNR ir vienas baltymas – iš lengvesnės (vidinės) grandinės.

Atsižvelgiant į tai, augalų mitochondrijų genomas yra daug didesnis ir gali siekti 370 000 nukleotidų porų, o tai yra maždaug 20 kartų didesnis už aukščiau aprašytą žmogaus mitochondrijų genomą. Genų skaičius čia taip pat yra maždaug 7 kartus didesnis, o tai lydi papildomų elektronų transportavimo kelių, nesusijusių su ATP sinteze, atsiradimu augalų mitochondrijose.

Mitochondrijų DNR replikuojasi tarpfazėje, kuri iš dalies sinchronizuojama su DNR replikacija branduolyje. Ląstelių ciklo metu mitochondrijos susiaurėjimo būdu dalijasi į dvi, kurių formavimasis prasideda nuo apskrito griovelio ant vidinės mitochondrijų membranos. Išsamus tyrimas nukleotidų seka Mitochondrijų genomas leido mums nustatyti, kad nukrypimai nuo universalaus genetinio kodo nėra neįprasti gyvūnų ir grybų mitochondrijose. Taigi žmogaus mitochondrijose TAT kodonas pakeičia izoleuciną standartinis kodas koduoja aminorūgštį metioniną, kodonai TCT ir TCC, kurie paprastai koduoja argininą, yra stop kodonai, o kodonas AST, kuris standartiniame kode yra stop kodonas, koduoja aminorūgštį metioniną. Kalbant apie augalų mitochondrijas, jos, matyt, naudoja universalų genetinį kodą. Kitas mitochondrijų bruožas yra tRNR kodonų atpažinimo ypatumas, kuris susideda iš to, kad viena tokia molekulė gali atpažinti ne vieną, o tris ar keturis kodonus vienu metu. Ši savybė sumažina trečiojo nukleotido svarbą kodone ir lemia tai, kad mitochondrijoms reikia mažiau įvairių tRNR tipų. Šiuo atveju pakanka tik 22 skirtingų tRNR.

Turėdama savo genetinį aparatą, mitochondrija taip pat turi savo baltymų sintezės sistemą, kurios savybė gyvūnų ir grybų ląstelėse yra labai mažos ribosomos, pasižyminčios 55S sedimentacijos koeficientu, net mažesniu nei prokariotų 70s ribosomų. tipo. Be to, dvi didelės ribosomų RNR taip pat yra mažesnio dydžio nei prokariotų, o mažos rRNR visai nėra. Priešingai, augalų mitochondrijose ribosomos savo dydžiu ir struktūra panašesnės į prokariotines.

DNR savybės ir funkcijos.

DNR arba dezoksiribonukleino rūgštis yra pagrindinė paveldima medžiaga, esanti visose kūno ląstelėse ir pirmiausia tarpininkauja ląstelių funkcijoms, augimui, dauginimuisi ir žūčiai. DNR struktūrą, vadinamą dvigrandė spiraline struktūra, pirmą kartą aprašė Watsonas ir Crickas 1953 m.

Nuo tada DNR sintezės, sekos nustatymo ir manipuliavimo srityje buvo padaryta didžiulė pažanga. Šiomis dienomis DNR gali būti virtualizuota arba išanalizuota, kad būtų galima rasti detalių, ir netgi gali būti įterpiami genai, kad pasikeistų DNR funkcija ir struktūra.

Pagrindinė paveldimos medžiagos paskirtis – saugoti paveldimą informaciją, kurios pagrindu susidaro fenotipas. Daugumą organizmo savybių ir savybių lemia įvairias funkcijas atliekančių baltymų sintezė, todėl paveldimojoje medžiagoje turi būti informacija apie itin įvairių baltymų molekulių struktūrą, kurios specifiškumas priklauso nuo kokybinės ir kiekybinės sudėties. aminorūgštys, taip pat jų išsidėstymo peptidinėje grandinėje tvarka. Todėl molekulėse nukleino rūgštys Baltymų aminorūgščių sudėtis turi būti užkoduota.
Dar šeštojo dešimtmečio pradžioje buvo pasiūlyta, kad yra būdas įrašyti genetinę informaciją, kai atskirų aminorūgščių kodavimas baltymo molekulėje turėtų būti atliekamas naudojant tam tikrus keturių skirtingų DNR nukleotidų derinius. Norėdami užšifruoti daugiau nei 20 aminorūgščių reikalinga suma derinius pateikia tik tripleto kodas, ty kodas, apimantis tris gretimus nukleotidus. Šiuo atveju keturių azoto bazių derinių skaičius trise yra 41 = 64. Prielaida apie genetinio kodo tripletą pobūdį vėliau gavo eksperimentinį patvirtinimą, o 1961–1964 m. laikotarpiu su pagalba buvo atrastas kodas. kurių aminorūgščių eilės tvarka parašyta nukleorūgščių molekulėse peptidas.
Nuo stalo 6 parodyta, kad iš 64 tripletų 61 tripletas koduoja vieną ar kitą aminorūgštį, o atskiros aminorūgštys yra užšifruotos daugiau nei vienu tripletu arba kodonu (fenilalaninas, leucinas, valinas, serija ir kt.). Keli tripletai nekoduoja aminorūgščių, o jų funkcijos yra susijusios su baltymo molekulės galinės srities žymėjimu.
Nukleino rūgšties molekulėje įrašytos informacijos nuskaitymas atliekamas nuosekliai, kodonas po kodono, kad kiekvienas nukleotidas būtų tik vieno tripleto dalis.
Gyvų organizmų genetinio kodo tyrimas su skirtingų lygių organizacija parodė šio informacijos registravimo gyvojoje gamtoje mechanizmo universalumą.
Taigi XX amžiaus vidurio tyrimai atskleidė paveldimos informacijos įrašymo nukleorūgščių molekulėse mechanizmą naudojant biologinį kodą, kuriam būdingos šios savybės: a) tripletiškumas – aminorūgštys šifruojamos nukleotidų tripletais – kodonais; b) specifiškumas – kiekvienas tripletas koduoja tik specifinę aminorūgštį; c) universalumas – visuose gyvuose organizmuose tų pačių aminorūgščių kodavimą atlieka tie patys kodonai; d) degeneracija – daug aminorūgščių yra užšifruotos daugiau nei vienu tripletu; e) nepersidengiantis – informacija skaitoma iš eilės tripletas po tripleto: AAGCTTCAGCCAT.

Be biologinės informacijos registravimo ir saugojimo, paveldimos medžiagos funkcija yra jos dauginimas ir perdavimas naujai kartai ląstelių ir organizmų dauginimosi procese. Šią paveldimos medžiagos funkciją DNR molekulės atlieka jos reduplikacijos procese, t.y. visiškai tiksliai atkuriant struktūrą, įgyvendinant komplementarumo principą (žr. 2.1).
Galiausiai, trečioji paveldimos medžiagos, kurią reprezentuoja DNR molekulės, funkcija yra teikti specifinius procesus joje esančios informacijos įgyvendinimo metu. Ši funkcija atliekama dalyvaujant įvairių tipų RNR, kuri užtikrina transliacijos procesą, t.y. baltymo molekulės surinkimą, vykstantį citoplazmoje, remiantis informacija, gauta iš branduolio (žr. 2.4). Įgyvendinant paveldimą informaciją, saugomą DNR molekulių pavidalu branduolio chromosomose, išskiriami keli etapai.
1. Informacijos nuskaitymas iš DNR molekulės iRNR sintezės metu – transkripcija, kuri atliekama vienoje iš dvigubos DNR kodogeninės grandinės spiralės gijų pagal komplementarumo principą (žr. 2.4).
2. Transkripcijos produkto paruošimas išleidimui į citoplazmą – iRNR brandinimas.
3. Aminorūgščių peptidinės grandinės surinkimas ant ribosomų pagal iRNR molekulėje įrašytą informaciją, dalyvaujant transportinėms tRNR – transliacija (žr. 2.4).
4. Antrinių, tretinių ir ketvirtinių baltymų struktūrų susidarymas, kuris atitinka funkcionuojančio baltymo susidarymą (paprastas ženklas).
5. Kompleksinio požymio susiformavimas dėl kelių genų produktų (fermentinių baltymų ar kitų baltymų) dalyvavimo biocheminiuose procesuose.

DNR dviguba spiralės struktūra, kurią kartu laiko tik vandenilio ryšiai, gali būti lengvai sunaikinta. Vandeniliniai ryšiai tarp DNR polinukleotidinių grandinių gali būti nutraukiami labai šarminiuose tirpaluose (esant pH > 12,5) arba kaitinant. Po to DNR grandinės yra visiškai atskirtos. Šis procesas vadinamas denatūravimu arba DNR lydymu.

Denatūracija keičia kai kurias fizines DNR savybes, pavyzdžiui, optinį tankį. Azoto bazės sugeria šviesą ultravioletinėje srityje (maksimalus artimas 260 nm). DNR sugeria šviesą beveik 40% mažiau nei tos pačios sudėties laisvųjų nukleotidų mišinys. Šis reiškinys vadinamas hipochrominiu efektu, o jį sukelia bazių sąveika, kai jos yra dviguboje spiralėje.

Bet koks nukrypimas nuo dvigrandės būsenos turi įtakos šio efekto dydžio pokyčiui, t.y. optinis tankis pasislenka link laisvosioms bazėms būdingos reikšmės. Taigi DNR denatūraciją galima stebėti pasikeitus jos optiniam tankiui.

Kai DNR kaitinama, vidutinė diapazono, kuriame DNR grandinės atsiskiria, temperatūra vadinama lydymosi temperatūra ir žymima T. pl. Sprendime T pl paprastai yra 85-95 °C diapazone. DNR lydymosi kreivė visada turi tą pačią formą, tačiau jos padėtis temperatūros skalėje priklauso nuo bazinės sudėties ir denatūracijos sąlygų (1 pav.). G-C poros, sujungti trimis vandeniliniais ryšiais, yra atsparesni ugniai nei A-T poros, turintis dvi vandenilio jungtis, todėl, didėjant G-C-nap kiekiui, T reikšmė pl dideja. DNR, 40% sudaryta iš G-C (būdinga žinduolių genomui), denatūruojasi ties T pl apie 87 °C, o DNR, kurioje yra 60% G-C, turi T pl
apie 95 °C.

DNR denatūravimo temperatūrai (išskyrus bazių sudėtį) įtakos turi tirpalo joninė jėga. Be to, kuo didesnė monovalentinių katijonų koncentracija, tuo didesnis T pl. T vertė pl taip pat labai pasikeičia, kai į DNR tirpalą pridedama tokių medžiagų kaip formamidas (skruzdžių rūgšties amidas HCONH2),
destabilizuoja vandenilinius ryšius. Jo buvimas leidžia sumažinti T pl, iki 40 °C.

Denatūravimo procesas yra grįžtamas. Dvigubos spiralės struktūros atkūrimo reiškinys, pagrįstas dviem vienas kitą papildančių grandžių atskyrimu, vadinamas DNR renatūracija. Norint atlikti renatūravimą, kaip taisyklė, pakanka praskiesti denatūruotos DNR tirpalą.

Renatūracija apima dvi viena kitą papildančias sekas, kurios buvo atskirtos denatūravimo metu. Tačiau bet kokios papildomos sekos, galinčios sudaryti dvigrandę struktūrą, gali būti išnuomotos. Jei kartu. atkaitinti iš skirtingų šaltinių kilusią viengrandę DNR, dvigrandės DNR struktūros susidarymas vadinamas hibridizacija.

Susijusi informacija.

Istoriškai pirmasis tokio pobūdžio tyrimas buvo atliktas naudojant mitochondrijų DNR. Mokslininkai paėmė mėginį iš Afrikos, Azijos, Europos ir Amerikos vietinių gyventojų ir šiame iš pradžių nedideliame mėginyje palygino skirtingų individų mitochondrijų DNR tarpusavyje. Jie nustatė, kad mitochondrijų DNR įvairovė yra didžiausia Afrikoje. Ir kadangi yra žinoma, kad mutacijos įvykiai gali pakeisti mitochondrijų DNR tipą, taip pat žinoma, kaip ji gali pasikeisti, todėl galime pasakyti, iš kokių tipų žmonės mutaciniu būdu galėjo kilti iš kurių. Iš visų žmonių, kurių DNR buvo tiriamas, afrikiečiai nustatė daug didesnį kintamumą. Mitochondrijų DNR tipai kituose žemynuose buvo ne tokie įvairūs. Tai reiškia, kad afrikiečiai turėjo daugiau laiko kaupti šiuos pokyčius. Jie turėjo daugiau laiko biologinei evoliucijai, jei būtent Afrikoje randamos senovės DNR liekanos, kurios nebūdingos europietiško žmogaus mutacijoms.

Galima teigti, kad genetikai, naudojantys mitochondrijų DNR, sugebėjo įrodyti moterų kilmę Afrikoje. Jie taip pat tyrė Y chromosomas. Paaiškėjo, kad vyrai taip pat atvyksta iš Afrikos.

Mitochondrijų DNR tyrimų dėka galima ne tik nustatyti, kad žmogus kilęs iš Afrikos, bet ir nustatyti jo atsiradimo laiką. Žmonijos mitochondrijų pirmtakės atsiradimo laikas buvo nustatytas lyginamuoju šimpanzių ir šimpanzių mitochondrijų DNR tyrimu. šiuolaikinis žmogus. Žinodami mutacijų divergencijos greitį – 2-4% per milijoną metų – galime nustatyti dviejų šakų – šimpanzių ir šiuolaikinio žmogaus – atsiskyrimo laiką. Tai įvyko maždaug prieš 5–7 milijonus metų. Šiuo atveju mutacijų skirtumo greitis laikomas pastoviu.

Mitochondrijų Ieva

Kai žmonės kalba apie mitochondrijų Ievą, jie neturi omenyje individo. Jie kalba apie visos populiacijos, turinčios panašias savybes, atsiradimą evoliucijos metu. Manoma, kad mitochondrijų Ieva gyveno tuo laikotarpiu, kai smarkiai sumažėjo mūsų protėvių skaičius iki maždaug dešimties tūkstančių individų.

Rasų kilmė

Tirdami skirtingų populiacijų mitochondrijų DNR, genetikai pasiūlė, kad dar prieš išvykstant iš Afrikos protėvių populiacija buvo suskirstyta į tris grupes, dėl kurių atsirado trys šiuolaikinės lenktynės– Afrikos, Kaukazo ir Mongoloidų. Manoma, kad tai įvyko maždaug prieš 60–70 tūkstančių metų.

Neandartaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR palyginimas

Papildomos informacijos apie žmogaus kilmę gauta palyginus neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR genetinius tekstus. Mokslininkai sugebėjo perskaityti genetinius mitochondrijų DNR tekstus iš dviejų neandertaliečių kaulų liekanų. Pirmojo neandertaliečio skeleto liekanos buvo rastos Feldhoverio urve Vokietijoje. Kiek vėliau buvo perskaitytas genetinis neandertaliečio vaiko mitochondrijų DNR tekstas, kuris buvo rastas Šiaurės Kaukaze, Mezhmayskaya oloje. Lyginant šiuolaikinių žmonių ir neandertaliečių mitochondrijų DNR, buvo rasti labai dideli skirtumai. Jei paimsite DNR gabalėlį, tai iš 370 nukleotidų skiriasi 27, o jei palyginsite šiuolaikinio žmogaus genetinius tekstus, jo mitochondrijų DNR, skirtumą rasite tik aštuoniuose nukleotiduose. Manoma, kad neandertalietis ir šiuolaikinis žmogus yra visiškai atskiros šakos, kiekvienos iš jų evoliucija vyko nepriklausomai vienas nuo kito.

Ištyrus neandertaliečių ir šiuolaikinių žmonių mitochondrijų DNR genetinių tekstų skirtumus, buvo nustatyta šių dviejų šakų atsiskyrimo data. Tai įvyko maždaug prieš 500 tūkstančių metų, o maždaug prieš 300 tūkstančių metų įvyko jų galutinis atskyrimas. Manoma, kad neandertaliečiai apsigyveno visoje Europoje ir Azijoje ir buvo išstumti šiuolaikinių žmonių, kurie iš Afrikos atsirado po 200 tūkstančių metų. Ir galiausiai, maždaug prieš 28–35 tūkstančius metų, neandertaliečiai išnyko. Kodėl taip atsitiko, apskritai kol kas neaišku. Galbūt jie negalėjo pakęsti konkurencijos su šiuolaikinio tipo žmogumi, o gal tam buvo kitų priežasčių.

05.05.2015 13.10.2015

Visa informacija apie žmogaus organizmo sandarą ir polinkį į ligas yra užšifruota DNR molekulių pavidalu. Pagrindinė informacija yra ląstelių branduoliuose. Tačiau 5% DNR yra lokalizuota mitochondrijose.

Kaip vadinamos mitochondrijos?

Mitochondrijos yra eukariotų ląstelių organelės, reikalingos energijai paversti. maistinių medžiagųį junginius, kuriuos gali pasisavinti ląstelės. Todėl jos dažnai vadinamos „energijos stotimis“, nes be jų kūno egzistavimas neįmanomas.
Šios organelės įgijo savo genetinę informaciją dėl to, kad anksčiau jos buvo bakterijos. Po to, kai jie pateko į šeimininko organizmo ląsteles, jie negalėjo išlaikyti savo genomo, o dalį savo genomo perkėlė į šeimininko organizmo ląstelės branduolį. Todėl dabar jų DNR (mtDNR) turi tik dalį pradinio kiekio, būtent 37 genus. Daugiausia jie užšifruoja gliukozės pavertimo junginiais – anglies dioksidu ir vandeniu – mechanizmą, gamindami energiją (ATP ir NADP), be kurių organizmo šeimininko egzistavimas neįmanomas.

Kuo išskirtinė mtDNA?

Pagrindinė mitochondrijų DNR savybė yra ta, kad ji gali būti paveldima tik per motinos liniją. Tokiu atveju visi vaikai (vyrai ar moterys) gali gauti mitochondrijų iš kiaušinėlio. Taip nutinka dėl to, kad patelės kiaušinėliuose šių organelių yra daugiau (iki 1000 kartų) nei vyriškos lyties spermatozoiduose. Dėl to dukterinis organizmas juos gauna tik iš savo motinos. Todėl jų paveldėjimas iš tėvo ląstelės visiškai neįmanomas.
Yra žinoma, kad mitochondrijų genai mums buvo perduoti iš tolimos praeities – iš mūsų promotės – „mitochondrinės Ievos“, kuri yra bendras visų planetos žmonių protėvis iš motinos pusės. Todėl šios molekulės laikomos idealiausiu objektu genetiniams tyrimams, siekiant nustatyti motinos giminystę.

Kaip nustatoma giminystė?

Mitochondrijų genai turi daug taškinių mutacijų, todėl jie labai kinta. Tai leidžia mums užmegzti giminystę. Atliekant genetinį tyrimą naudojant specialius genetinius analizatorius – sekvenatorius, nustatomi atskiri taškiniai nukleotidų genotipo pokyčiai, jų panašumas ar skirtumas. Žmonių, kurie nėra giminingi iš motinos pusės, mitochondrijų genomai labai skiriasi.
Nustatyti giminystę galima dėl nuostabių mitochondrijų genotipo savybių:
jos nevyksta rekombinacija, todėl molekulės keičiasi tik mutacijos proceso metu, kuris gali vykti per tūkstantmetį;
galimybė izoliuoti nuo bet kokių biologinių medžiagų;
jei trūksta biomedžiagos arba yra suiręs branduolinis genomas, mtDNR gali tapti vieninteliu analizės šaltiniu dėl didžiulio jos kopijų skaičiaus;
dėl didelis kiekis pasiekiamos mutacijos, palyginti su ląstelių branduoliniais genais didelis tikslumas kai analizuojama genetinė medžiaga.

Ką galima nustatyti atliekant genetinį tyrimą?

Genetinis mtDNR tyrimas padės diagnozuoti šiuos atvejus.
1. Užmegzti giminystę tarp žmonių iš motinos pusės: tarp senelio (ar močiutės) ir anūko, brolio ir sesers, dėdės (ar tetos) ir sūnėno.
2. Analizuojant nedidelį biomedžiagos kiekį. Juk kiekvienoje ląstelėje mtDNR yra dideli kiekiai (100–10 000), o branduolinėje DNR yra tik 2 kopijos kiekvienoms 23 chromosomoms.
3. Identifikuojant senovinę biomedžiagą – galiojimo laikas daugiau nei tūkstantis metų. Būtent šios savybės dėka mokslininkai sugebėjo identifikuoti genetinę medžiagą iš Romanovų šeimos narių palaikų.
4. Nesant kitos medžiagos, net viename plauke yra nemažas kiekis mtDNR.
5. Nustatant genų priklausomybę žmonijos genealoginėms šakoms (Afrikos, Amerikos, Vidurio Rytų, Europos haplogrupei ir kt.), kurių dėka galima nustatyti žmogaus kilmę.

Mitochondrijų ligos ir jų diagnostika

Mitochondrijų ligos pasireiškia daugiausia dėl ląstelių mtDNR defektų, susijusių su dideliu šių organelių jautrumu mutacijomis. Šiandien jau yra apie 400 ligų, susijusių su jų defektais.
Paprastai kiekvienoje ląstelėje gali būti ir normalių mitochondrijų, ir turinčių tam tikrų sutrikimų. Dažnai ligos požymiai visai nepasireiškia. Tačiau susilpnėjus energijos sintezės procesui, jose pastebimas tokių ligų pasireiškimas. Šios ligos pirmiausia yra susijusios su raumenų ar nervų sistemos. Paprastai tokios ligos prasideda vėlai klinikinės apraiškos. Sergamumas šiomis ligomis – 1:200 žmonių. Yra žinoma, kad mitochondrijų mutacijos gali sukelti nefrozinį sindromą nėštumo metu ir net staigią kūdikio mirtį. Todėl mokslininkai aktyviai bando išspręsti šias problemas, susijusias su tokio tipo genetinių ligų gydymu ir perdavimu iš motinų vaikams.

Kaip senėjimas susijęs su mitochondrijomis?

Šių organelių genomo persitvarkymas buvo aptiktas ir analizuojant organizmo senėjimo mechanizmą. Hopkinso universiteto mokslininkai paskelbė 16 000 pagyvenusių amerikiečių kraujo koncentracijos stebėjimo rezultatus, įrodančius, kad mtDNR kiekio sumažėjimas buvo tiesiogiai susijęs su pacientų amžiumi.

Dauguma šiandien nagrinėjamų klausimų tapo naujo mokslo – „mitochondrijų medicinos“, kuri kaip atskira kryptis susiformavo XX a., pagrindu. Su mitochondrijų genomo sutrikimais susijusių ligų prognozavimas ir gydymas, genetinė diagnostika yra pagrindiniai jos uždaviniai.

Evoliucijos metu išlikę genai „ląstelės energijos stotyse“ padeda išvengti valdymo problemų: jei kas nors sugenda mitochondrijose, gali tai sutvarkyti pats, nelaukdamas „centro“ leidimo.

Mūsų ląstelės energiją gauna specialių organelių, vadinamų mitochondrijomis, pagalba, kurios dažnai vadinamos ląstelės energijos stotimis. Išoriškai jie atrodo kaip rezervuarai su dviguba sienele, o vidinė siena labai nelygi, su daugybe stiprių įdubimų.

Ląstelė su branduoliu (mėlyna spalva) ir mitochondrijomis (raudona spalva). (NICHD / Flickr.com nuotrauka)

Skyriuje mitochondrijos, vidinės membranos ataugos matomos kaip išilginės vidinės juostelės. (Nuotrauka Visuals Unlimited / Corbis.)

Mitochondrijose vyksta daugybė biocheminių reakcijų, kurių metu palaipsniui oksiduojasi ir suyra „maisto“ molekulės, o jų cheminių ryšių energija kaupiama ląstelei patogia forma. Tačiau, be to, šios „energijos stotys“ turi savo DNR su genais, kurias aptarnauja jų pačių molekulinės mašinos, užtikrinančios RNR sintezę, o vėliau baltymų sintezę.

Manoma, kad mitochondrijos labai tolimoje praeityje buvo nepriklausomos bakterijos, kurias valgė kai kurios kitos vienaląstės būtybės (greičiausiai archėjos). Tačiau vieną dieną „plėšrūnai“ staiga nustojo virškinti prarytas protomitochondrijas, laikydami jas savyje. Prasidėjo ilgas simbiontų trynimas vienas su kitu; dėl to prarytieji labai supaprastino savo struktūrą ir tapo tarpląstelinėmis organelėmis, o jų „šeimininkai“ dėl efektyvesnės energijos galėjo toliau vystytis į vis sudėtingesnes gyvybės formas, iki augalų ir gyvūnų.

Tai, kad mitochondrijos kadaise buvo nepriklausomos, liudija jų genetinio aparato liekanos. Žinoma, jei gyvenate viduje su viskuo paruoštu, poreikis turėti savo genus išnyksta: šiuolaikinių mitochondrijų DNR žmogaus ląstelėse yra tik 37 genai - prieš 20-25 tūkstančius tų, kurie yra branduolinėje DNR. Per milijonus evoliucijos metų daugelis mitochondrijų genų persikėlė į ląstelės branduolį: jų koduojami baltymai sintetinami citoplazmoje, o vėliau perkeliami į mitochondrijas. Tačiau iš karto kyla klausimas: kodėl 37 genai vis tiek liko ten, kur buvo?

Mes kartojame, mitochondrijos yra visuose eukariotų organizmuose, tai yra gyvūnuose, augaluose, grybuose ir pirmuoniuose. Ianas Johnstonas ( Iain Johnston) iš Birmingamo universiteto ir Beno Williamso ( Benas P. Williamsas) iš Whitehead instituto išanalizavo daugiau nei 2000 mitochondrijų genomų, paimtų iš įvairių eukariotų. Naudodami specialų matematinį modelį, mokslininkai sugebėjo suprasti, kurie genai evoliucijos metu dažniau išliko mitochondrijose.

Kas yra mitochondrijų DNR?

Mitochondrijų DNR (mtDNR) yra DNR, esanti mitochondrijose, eukariotinių ląstelių viduje esančiose ląstelių organelėse, kurios paverčia cheminę energiją iš maisto į formą, kurią ląstelės gali panaudoti – adenozino trifosfatą (ATP). Mitochondrijų DNR sudaro tik nedidelę eukariotinės ląstelės DNR dalį; Daugiausia DNR galima rasti ląstelės branduolyje, augaluose ir dumbliuose bei plastiduose, tokiuose kaip chloroplastai.

Žmonėms 16 569 bazinės poros mitochondrijų DNR koduoja tik 37 genus. Žmogaus mitochondrijų DNR buvo pirmoji reikšminga žmogaus genomo dalis, kuri buvo sekvenuota. Daugumoje rūšių, įskaitant žmones, mtDNR paveldima tik iš motinos.

Kadangi gyvūnų mtDNR vystosi greičiau nei branduoliniai genetiniai žymenys, ji yra filogenetikos ir evoliucinės biologijos pagrindas. Tai tapo svarbiu antropologijos ir biogeografijos tašku, nes leidžia tyrinėti populiacijų tarpusavio ryšius.

Mitochondrijų kilmės hipotezės

Manoma, kad branduolinė ir mitochondrijų DNR turi skirtingą evoliucinę kilmę, o mtDNR gauta iš žiedinių bakterijų genomų, kuriuos absorbavo ankstyvieji šiuolaikinių eukariotinių ląstelių protėviai. Ši teorija vadinama endosimbiotine teorija. Apskaičiuota, kad kiekvienoje mitochondrijoje yra 2–10 mtDNR kopijų. Ląstelėse esamų organizmų didžioji dauguma mitochondrijose esančių baltymų (žinduolių jų yra apie 1500 skirtingų tipų) yra koduojami branduolinės DNR, tačiau manoma, kad kai kurių, jei ne daugumos, genai iš pradžių yra bakteriniai, nuo to laiko perkelti į eukariotų branduolį. evoliucijos metu.

Aptariamos priežastys, kodėl mitochondrijos išlaiko tam tikrus genus. Genomo neturinčių organelių egzistavimas kai kuriose mitochondrinės kilmės rūšyse rodo, kad galimas visiškas genų praradimas, o mitochondrijų genų perkėlimas į branduolį turi nemažai privalumų. Viena iš hipotezių, kodėl kai kurie genai išlieka mtDNR, yra sunku orientuoti nuotoliniu būdu pagamintus hidrofobinius baltymų produktus mitochondrijose. Bendra lokalizacija redokso reguliavimui yra kita teorija, nurodanti, kad pageidaujama lokalizuota mitochondrijų mechanizmų kontrolė. Neseniai atlikta daugybės mitochondrijų genomų analizė rodo, kad abi šios funkcijos gali lemti mitochondrijų genų sulaikymą.

Genetinis mtDNR tyrimas

Daugumoje daugialąsčių organizmų mtDNR yra paveldima iš motinos (motinos kilmės). Mechanizmai, skirti tai padaryti, apima paprastą praskiedimą (kiaušidėje yra vidutiniškai 200 000 mtDNR molekulių, o sveiko žmogaus spermoje yra vidutiniškai 5 molekulės), spermatozoidų mtDNR skilimą vyrų reprodukciniame trakte, apvaisintame kiaušinėlyje ir bent jau mažai organizmų, gedimas Spermatozoido mtDNR prasiskverbia į kiaušinėlį. Kad ir koks būtų mechanizmas, tai yra vienpolis paveldėjimas – mtDNR paveldėjimas, kuris pasitaiko daugumoje gyvūnų, augalų ir grybų.

Motinos paveldėjimas

Lytinio dauginimosi metu mitochondrijos dažniausiai paveldimos tik iš motinos; žinduolių spermatozoidų mitochondrijas po apvaisinimo paprastai sunaikina kiaušialąstė. Be to, dauguma mitochondrijų yra spermos uodegos apačioje, kuri naudojama spermatozoidų ląstelėms judėti; kartais apvaisinimo metu netenkama uodegos. 1999 m. buvo pranešta, kad tėvo spermos mitochondrijos (turinčios mtDNR) yra paženklintos ubikvitinu, kad vėliau sunaikintų embrioną. Tam gali trukdyti kai kurie apvaisinimo mėgintuvėlyje metodai, ypač spermos injekcija į oocitą.

Faktas, kad mitochondrijų DNR yra paveldima per motinos liniją, leidžia genealogijos tyrinėtojams atsekti motinos liniją seniai. (Y-chromosomų DNR yra paveldima iš tėvo, panašiai naudojama patrilinealinei istorijai nustatyti.) Paprastai tai atliekama žmogaus mitochondrijų DNR sekvenuojant hiperkintamąją kontrolinę sritį (HVR1 arba HVR2), o kartais ir visą mitochondrijų DNR molekulę. DNR genealoginis tyrimas. Pavyzdžiui, HVR1 susideda iš maždaug 440 bazinių porų. Tada šios 440 porų palyginamos su kitų asmenų (arba konkrečių duomenų bazėje esančių asmenų ar subjektų) kontrolinėmis sritimis, siekiant nustatyti motinos kilmę. Dažniausias palyginimas yra su peržiūrėta Kembridžo nuorodų seka. Vilà ir kt. paskelbė naminių šunų ir vilkų matrilinijos panašumo tyrimus. Mitochondrijų Ievos samprata remiasi to paties tipo analize, bandymais atrasti žmonijos ištakas, atsekti kilmę laiku.

mtDNR yra labai konservuota, o jos santykinai lėtas mutacijų greitis (palyginti su kitais DNR regionais, tokiais kaip mikrosatelitai), todėl naudinga tiriant evoliucinius ryšius – organizmų filogeniją. Biologai gali nustatyti ir palyginti mtDNR sekas iš skirtingi tipai ir naudokite palyginimus, kad sukurtumėte evoliucinius tiriamų rūšių medžius. Tačiau dėl lėto mutacijų greičio, kurį ji patiria, dažnai sunku atskirti artimai susijusias rūšis, todėl reikia naudoti kitus analizės metodus.

Mitochondrijų DNR mutacijos

Tikėtina, kad asmenys, kuriems būdingas vienakryptis paveldėjimas ir nedidelė rekombinacija arba jos visai nėra, gali patirti Miulerio reketą – žalingų mutacijų kaupimąsi tol, kol prarandamas funkcionalumas. Gyvūnų mitochondrijų populiacijos vengia šio kaupimosi dėl vystymosi proceso, žinomo kaip mtDNR kliūtis. Kliūties kaklelis naudoja stochastinius procesus ląstelėje, kad padidėtų mutantų krūvio kintamumas tarp ląstelių, kai organizmas vystosi taip, kad viena kiaušinėlio ląstelė, turinti tam tikrą dalį mutantinės mtDNR, sukuria embrioną, kuriame skirtingos ląstelės turi skirtingą mutantų krūvį. Tada ląstelių lygis gali būti nukreiptas siekiant pašalinti šias ląsteles su daugiau mutantinės mtDNR, todėl stabilizuojamas arba sumažėja mutantų krūvis tarp kartų. Kliūties mechanizmas aptariamas su naujausiomis matematinėmis ir eksperimentinėmis metastazėmis ir pateikia įrodymų, kad mtDNR atsitiktinis pasiskirstymas į ląstelių dalijimąsi ir atsitiktinė mtDNR molekulių apykaita ląstelėje yra derinama.

Tėvo palikimas

Dvigeldžiuose gyvūnuose stebimas dvigubas vienakryptis mtDNR paveldėjimas. Šių rūšių patelės turi tik vieno tipo mtDNR (F), o patinai turi F tipo mtDNR savo somatinėse ląstelėse, o M tipo mtDNR (kuri gali skirtis iki 30%) lytinėse ląstelėse. Be to, buvo pranešta apie kai kurių vabzdžių, tokių kaip vaisinės musės, bitės ir periodinės cikados, iš motinos paveldėtas mitochondrijas.

Patinų mitochondrijų paveldėjimas neseniai buvo aptiktas Plymouth Rock viščiukuose. Įrodymai patvirtina retus kai kurių žinduolių mitochondrijų paveldėjimo atvejus. Visų pirma, yra dokumentais pagrįstų pelių atvejų, kai iš patinų gautos mitochondrijos vėliau buvo atmestos. Be to, jis buvo rastas avių, taip pat klonuotų didelių galvijai. Kartą jis buvo rastas vyro kūne.

Nors daugelis iš šių atvejų yra susiję su embriono klonavimu arba vėlesniu tėvo mitochondrijų atmetimu, kiti dokumentuoja paveldėjimą ir išlikimą in vivo in vitro.

Mitochondrijų donorystė

IVF, žinomas kaip mitochondrijų donorystė arba mitochondrijų pakaitinė terapija (MRT), sukelia palikuonis, turinčius mtDNR iš moterų donorų ir branduolinę DNR iš motinos ir tėvo. Atliekant verpstės perkėlimo procedūrą, kiaušialąstės branduolys įvedamas į kiaušialąstės citoplazmą iš moters donorės, kuriai buvo pašalintas branduolys, bet vis dar yra moters donorės mtDNR. Tada sudėtinis kiaušinis apvaisinamas vyro sperma. Ši procedūra taikoma, kai moteris su genetiškai pažeistomis mitochondrijomis nori susilaukti palikuonių su sveikomis mitochondrijomis. Pirmasis žinomas vaikas, gimęs dėl mitochondrijų donorystės, buvo berniukas, gimęs Jordanijos porai Meksikoje 2016 m. balandžio 6 d.

Mitochondrijų DNR struktūra

Daugumoje daugialąsčių organizmų mtDNR – arba mitogenomas – yra organizuota kaip apvali, žiediškai uždara, dvigrandė DNR. Tačiau daugelyje vienaląsčių organizmų (pavyzdžiui, tetrahymena arba žaliųjų dumblių Chlamydomonas reinhardtii) ir retais atvejais daugialąsčiuose organizmuose (pavyzdžiui, kai kuriose cnidarijų rūšyse) mtDNR randama kaip linijiškai organizuota DNR. Dauguma šių linijinių mtDNR turi nuo telomerazės nepriklausomus telomerus (ty linijinės DNR galus) su skirtingais replikacijos būdais, todėl jie tapo įdomiais tyrimo objektais, nes daugelis šių vienaląsčių organizmų su linijine mtDNR yra žinomi patogenai.

Žmogaus mitochondrijų DNR (ir tikriausiai metazoanams) somatinėje ląstelėje paprastai yra 100–10 000 atskirų mtDNR kopijų (kiaušiniai ir sperma yra išimtis). Žinduolių kiekviena dvigrandė žiedinė mtDNR molekulė susideda iš 15 000–17 000 bazinių porų. Dvi mtDNR grandinės skiriasi savo nukleotidų kiekiu, guanido turtinga grandinė vadinama sunkiąja grandine (arba H grandine), o cinozino turtinga grandinė vadinama lengva grandine (arba L grandine). Sunkioji grandinė koduoja 28 genus, o lengvoji – 9 genus, iš viso 37 genus. Iš 37 genų 13 yra skirti baltymams (polipeptidams), 22 – RNR (tRNR) pernešimui, o du – mažiems ir dideliems ribosominės RNR (rRNR) subvienetams. Žmogaus mitogenome yra persidengiančių genų (ATP8 ir ATP6 bei ND4L ir ND4: žr. Žmogaus genomo mitochondrijų žemėlapį), o tai retai pasitaiko gyvūnų genomuose. 37 genų modelis taip pat randamas tarp daugumos metazoanų, nors kai kuriais atvejais trūksta vieno ar daugiau iš šių genų, o mtDNR dydžių diapazonas yra didesnis. Dar didesnis mtDNR genų kiekis ir dydis skiriasi tarp grybų ir augalų, nors atrodo, kad yra pagrindinis genų pogrupis, kuris yra visuose eukariotuose (išskyrus keletą, kurie apskritai neturi mitochondrijų). Kai kurios augalų rūšys turi didžiulę mtDNR (net 2 500 000 bazinių porų vienoje mtDNR molekulėje), tačiau stebėtina, kad net šiose didžiulėse mtDNR yra tiek pat genų ir tipų, kaip ir gimininguose augaluose, kurių mtDNR yra daug mažesnė.

Agurkų (Cucumis Sativus) mitochondrijų genomą sudaro trys apskritos chromosomos (ilgis 1556, 84 ir 45 kb), kurios yra visiškai arba iš esmės savarankiškos jų replikacijos atžvilgiu.

Mitochondrijų genomuose aptinkami šeši pagrindiniai genomo tipai. Šiuos genomų tipus klasifikavo Kolesnikovas ir Gerasimovas (2012) ir jie skiriasi įvairiais būdais, pvz., apskrito ir linijinio genomo, genomo dydžio, intronų ar į plazmidę panašių struktūrų buvimu ir tuo, ar genetinė medžiaga yra atskira molekulė, vienarūšių arba nevienalyčių molekulių rinkinys.

Gyvūno genomo dekodavimas

Gyvūnų ląstelėse yra tik vieno tipo mitochondrijų genomas. Šiame genome yra viena apskrita 11–28 kbp genetinės medžiagos molekulė (1 tipas).

Augalo genomo dekodavimas

Yra trys įvairių tipų augaluose ir grybuose esantis genomas. Pirmasis tipas yra apskritas genomas, kurio intronai (2 tipas) svyruoja nuo 19 iki 1000 kbp. Antrasis genomo tipas yra žiedinis genomas (apie 20-1000 kbp), kuris taip pat turi plazmidinę struktūrą (1 kb) (3 tipas). Galutinis genomo tipas, kurį galima rasti augaluose ir grybuose, yra linijinis genomas, susidedantis iš homogeninių DNR molekulių (5 tipas).

Protistų genomo dekodavimas

Protistai turi pačius įvairiausius mitochondrijų genomus, tarp kurių yra penki skirtingi tipai. 2, 3 ir 5 tipai, minimi augalų ir grybų genomuose, taip pat egzistuoja kai kuriuose pirmuoniuose, taip pat dviejuose unikaliuose genomo tipuose. Pirmasis iš jų yra nevienalytė žiedinių DNR molekulių kolekcija (4 tipas), o galutinis protistų genomo tipas yra heterogeniškas linijinių molekulių rinkinys (6 tipas). 4 ir 6 genomo tipai svyruoja nuo 1 iki 200 kb.

Endosimbiotinis genų perdavimas, mitochondrijų genome užkoduotų genų procesas, kurį daugiausia nešioja ląstelės genomas, greičiausiai paaiškina, kodėl sudėtingesni organizmai, tokie kaip žmonės, turi mažesnius mitochondrijų genomus nei paprastesni organizmai, tokie kaip pirmuonys.

Mitochondrijų DNR replikacija

Mitochondrijų DNR replikuoja DNR polimerazės gama kompleksas, susidedantis iš 140 kDa katalizinės DNR polimerazės, koduojamos POLG geno, ir dviejų 55 kDa pagalbinių subvienetų, koduojamų POLG2 geno. Replikacijos aparatą sudaro DNR polimerazė, TWINKLE ir mitochondrijų SSB baltymai. TWINKLE yra spiralė, kuri išvynioja trumpus dsDNR ruožus 5–3 colių kryptimi.

Embriogenezės metu mtDNR replikacija yra griežtai reguliuojama iš apvaisinto oocito per priešimplantacinį embrioną. Efektyviai sumažindama ląstelių skaičių kiekvienoje ląstelėje, mtDNR vaidina vaidmenį mitochondrijų kliūties kaklelyje, kuri išnaudoja ląstelių kintamumą, kad pagerintų žalingų mutacijų paveldėjimą. Blastocitų stadijoje mtDNR replikacijos pradžia būdinga troftokoderių ląstelėms. Priešingai, vidinės ląstelės masės ląstelės riboja mtDNR replikaciją, kol gauna signalus, skirtus diferencijuoti į specifinius ląstelių tipus.

Mitochondrijų DNR transkripcija

Gyvūnų mitochondrijose kiekviena DNR grandinė yra nuolat transkribuojama ir gamina policistroninę RNR molekulę. Tarp daugumos (bet ne visų) baltymus koduojančių regionų yra tRNR (žr. Žmogaus mitochondrijų genomo žemėlapį). Transkripcijos metu tRNR įgauna būdingą L formą, kurią atpažįsta ir skaido specifiniai fermentai. Apdorojant mitochondrijų RNR, iš pirminio transkripto išsiskiria atskiri mRNR, rRNR ir tRNR fragmentai. Taigi sulankstytos tRNR veikia kaip nedideli skyrybos ženklai.

Mitochondrijų ligos

Koncepcija, kad mtDNR yra ypač jautri reaktyviosioms deguonies rūšims, kurias sukuria kvėpavimo grandinė dėl jos artumo, išlieka prieštaringa. mtDNR nesukaupia daugiau oksidacinės bazės nei branduolinė DNR. Buvo pranešta, kad bent kai kurių tipų oksidaciniai DNR pažeidimai mitochondrijose yra pataisomi efektyviau nei branduolyje. mtDNR yra supakuota su baltymais, kurie atrodo taip pat apsaugantys kaip branduolio chromatino baltymai. Be to, mitochondrijos sukūrė unikalų mechanizmą, palaikantį mtDNR vientisumą, suardydamos per daug pažeistus genomus, po kurių replikuoja nepažeista / suremontuota mtDNR. Šio mechanizmo branduolyje nėra ir jį aktyvuoja kelios mitochondrijose esančios mtDNR kopijos. MtDNR mutacijos rezultatas gali būti tam tikrų baltymų kodavimo instrukcijų pasikeitimas, kuris gali turėti įtakos organizmo metabolizmui ir (arba) tinkamumui.

Mitochondrijų DNR mutacijos gali sukelti daugybę ligų, įskaitant fizinio krūvio netoleravimą ir Kearns-Sayre sindromą (KSS), dėl kurio žmogus praranda visas širdies, akių ir raumenų judesių funkcijas. Kai kurie įrodymai rodo, kad jie gali labai prisidėti prie senėjimo proceso ir su amžiumi susijusių patologijų. Konkrečiai, ligos kontekste mutantinių mtDNR molekulių dalis ląstelėje vadinama heteroplazma. Heteroplazmos pasiskirstymas ląstelėse ir tarp jų lemia ligos pradžią ir sunkumą ir yra įtakojamas sudėtingų stochastinių procesų ląstelėje ir vystymosi metu.

Mitochondrijų tRNR mutacijos gali būti atsakingos už sunkias ligas, tokias kaip MELAS ir MERRF sindromai.

Taip pat gali prisidėti ir branduolinių genų, koduojančių mitochondrijas naudojančius baltymus, mutacijos mitochondrijų ligos. Šios ligos nesilaiko mitochondrijų paveldėjimo modelių, o seka Mendelio paveldėjimo modelius.

IN Pastaruoju metu mtDNR mutacijos buvo naudojamos siekiant padėti diagnozuoti prostatos vėžį pacientams, kurių biopsija neigiama.

Senėjimo mechanizmas

Nors idėja yra prieštaringa, kai kurie įrodymai rodo ryšį tarp senėjimo ir mitochondrijų disfunkcijos genome. Iš esmės mtDNR mutacijos sutrikdo kruopščią reaktyviosios deguonies gamybos (ROS) ir fermentinės ROS gamybos (fermentų, tokių kaip superoksido dismutazė, katalazė, glutationo peroksidazė ir kt.) pusiausvyrą. Tačiau kai kurios mutacijos, kurios padidina ROS gamybą (pavyzdžiui, sumažindamos antioksidacinę apsaugą), padidina, o ne sumažina jų ilgaamžiškumą. Be to, nuogos kandžių žiurkės, pelių dydžio graužikai, gyvena maždaug aštuonis kartus ilgiau nei pelės, nepaisant sumažėjusios antioksidacinės apsaugos ir padidėjusios oksidacinės žalos biomolekulėms, palyginti su pelėmis.

Vienu metu buvo manoma, kad darbe susidarė palankus grįžtamasis ryšys ("užburtas ciklas"); kadangi mitochondrijų DNR kaupia genetinę žalą, kurią sukelia laisvieji radikalai, mitochondrijos praranda funkciją ir išskiria laisvuosius radikalus citozolyje. Sumažėjusi mitochondrijų funkcija mažina bendrą medžiagų apykaitos efektyvumą. Tačiau ši koncepcija buvo galutinai paneigta, kai buvo įrodyta, kad pelės, genetiškai modifikuotos taip, kad kauptų mtDNR mutacijas per anksti, tačiau jų audiniai negamina daugiau ROS, kaip prognozuojama pagal „užburto ciklo“ hipotezę. Palaikydami ryšį tarp ilgaamžiškumo ir mitochondrijų DNR, kai kurie tyrimai nustatė ryšį tarp mitochondrijų DNR biocheminių savybių ir rūšies ilgaamžiškumo. Atliekami išsamūs tyrimai, siekiant toliau tirti šį ryšį ir senėjimą stabdančius gydymo būdus. Šiuo metu genų terapija ir mitybos papildai yra populiarios dabartinių tyrimų sritys. Bjelakovičius ir kt. išanalizavo 78 tyrimų 1977–2012 m., kuriuose dalyvavo 296 707 dalyviai, rezultatus ir padarė išvadą, kad antioksidantų papildai nesumažino mirtingumo dėl kokių nors priežasčių ir nepailgino gyvenimo trukmės, o kai kurie iš jų, pavyzdžiui, beta karotinas, vitaminas E ir daugiau. vitamino A dozės, iš tikrųjų gali padidinti mirtingumą.

Ištrynimo lūžio taškai dažnai atsiranda regionuose, kuriuose yra nekanoninių (ne B) konformacijų, ty plaukų segtuko, kryžiaus ir į dobilą panašių elementų, arba šalia jų. Be to, yra įrodymų, kad spiralinio iškraipymo kreivinės sritys ir ilgos G-tetrados yra susijusios su nestabilumo įvykių aptikimu. Be to, didesnio tankio taškai buvo nuolat stebimi regionuose, kuriuose yra GC iškrypimas, ir arti išsigimusios sekos fragmento YMMYMNNMMHM.

Kuo mitochondrijų DNR skiriasi nuo branduolinės DNR?

Skirtingai nuo branduolinės DNR, kuri yra paveldima iš abiejų tėvų ir kurioje genai yra pertvarkomi per rekombinacijos procesą, mtDNR paprastai nepasikeičia nuo tėvų iki palikuonių. Nors mtDNR taip pat rekombinuojasi, ji tai daro su savo kopijomis toje pačioje mitochondrijoje. Dėl šios priežasties gyvūnų mtDNR mutacijų greitis yra didesnis nei branduolinės DNR. mtDNA yra galingas matrilinijos atsekimo įrankis ir buvo naudojamas atliekant šį vaidmenį siekiant atsekti daugelio rūšių kilmę prieš šimtus kartų.

Dėl greito mutacijų greičio (gyvūnuose) mtDNR naudinga vertinant individų ar grupių genetinius ryšius rūšies viduje ir nustatant bei kiekybiškai įvertinant skirtingų rūšių filogenijas (evoliucinius ryšius). Norėdami tai padaryti, biologai nustato ir palygina skirtingų individų ar rūšių mtDNR seką. Palyginimų duomenys naudojami sukurti ryšių tarp sekų tinklą, kuris pateikia santykį tarp individų ar rūšių, iš kurių buvo paimta mtDNR. mtDNR gali būti naudojama glaudžiai susijusių ir tolimų rūšių santykiams įvertinti. Dėl didelio gyvūnų mtDNR mutacijų dažnio 3-osios padėties kodonai keičiasi gana greitai, todėl suteikia informacijos apie genetinius atstumus tarp artimai susijusių individų ar rūšių. Kita vertus, mt baltymų pakeitimo greitis yra labai mažas, todėl aminorūgščių pokyčiai kaupiasi lėtai (atitinkamai lėtai keičiasi 1 ir 2 kodono pozicijos) ir taip jie suteikia informacijos apie tolimų giminaičių genetinius atstumus. Todėl statistiniai modeliai, kuriuose atskirai atsižvelgiama į kodono pozicijų pakeitimo greitį, gali būti naudojami tuo pačiu metu įvertinti filogenijas, kuriose yra ir glaudžiai susijusių, ir tolimų rūšių.

mtDNR atradimo istorija

Mitochondrijų DNR septintajame dešimtmetyje atrado Margit M. K. Nas ir Silvan Nas, naudodamos elektronų mikroskopiją kaip DNazei jautrias grandines mitochondrijose, o Ellen Hasbrunner, Hansas Tappi ir Gottfriedas Schatzas iš biocheminių labai išgrynintų mitochondrijų frakcijų analizių.

Mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo atpažinta 1996 m. per Tennessee prieš Paulą Ware'ą. 1998 m. teismo byloje Pensilvanijos Sandrauga prieš Patricia Lynn Rorrer mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo įtraukta į įrodymus Pensilvanijos valstijoje. Ši byla buvo parodyta True Drama teismo ekspertizės teismo bylų serijos 5 sezono 55 serijoje (5 sezonas).

Mitochondrijų DNR pirmą kartą buvo atpažinta Kalifornijoje per sėkmingą Davido Westerfieldo baudžiamąjį persekiojimą dėl 7-metės Danielle van Dam pagrobimo ir nužudymo San Diege 2002 m. ir buvo panaudota tiek žmonėms, tiek šunims identifikuoti. Tai buvo pirmasis bandymas JAV, siekiant išspręsti šunų DNR.

mtDNA duomenų bazės

Buvo sukurtos kelios specializuotos duomenų bazės, skirtos rinkti mitochondrijų genomo sekas ir kitą informaciją. Nors dauguma jų sutelkia dėmesį į sekos duomenis, kai kurie apima filogenetinę ar funkcinę informaciją.

• MitoSatPlant: mitochondrijų viridiplantų mikrosatelitinė duomenų bazė.

• MitoBreak: Mitochondrijų DNR lūžio taškų duomenų bazė.

• MitoFish ir MitoAnnotator: žuvų mitochondrijų genomo duomenų bazė. Taip pat žr. Cawthorn ir kt.

• MitoZoa 2.0: duomenų bazė lyginamajai ir evoliucinei mitochondrijų genomų analizei (nebėra)

• InterMitoBase: anotuota duomenų bazė ir baltymų ir baltymų sąveikos analizės platforma, skirta žmogaus mitochondrijoms (paskutinį kartą atnaujinta 2010 m., bet vis dar nepasiekiama)

• Mitome: lyginamosios mitochondrijų genomikos metazoanuose duomenų bazė (nebėra)

• MitoRes: branduolyje užkoduotų mitochondrijų genų ir jų produktų metazoanuose šaltinis (nebėra atnaujintas)

Yra keletas specializuotų duomenų bazių, kuriose pranešama apie žmogaus mitochondrijų DNR polimorfizmus ir mutacijas bei jų patogeniškumo įvertinimus.

• MITOMAP: žmogaus mitochondrijų DNR polimorfizmų ir mutacijų sąvadas.

• MitImpact: Numatomų patogeniškumo prognozių rinkimas visiems nukleotidų pokyčiams, sukeliantiems nesinoniminius žmogaus mitochondrijų baltymus koduojančių genų pakaitalus.