DNA mitocondrial

Representação esquemática do mtDNA humano

Em termos técnicos, o DNA mitocondrial , ou mtDNA para abreviar , é o DNA de fita dupla, principalmente circular dentro (matriz) da mitocôndria . Sob a influência da literatura especializada citada, este termo está cada vez mais ganhando terreno contra a palavra alemã estrangeira “DNA mitocondrial”. O genoma mitocondrial é denominado mitogenoma ou (menos frequentemente) condrioma . O mtDNA foi descoberto em 1963 por Margit Nass e Sylvan Nass usando métodos de microscopia eletrônica e em 1964 por Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy e Gottfried Schatz com base em medições bioquímicas.

propriedades

O mtDNA de organismos multicelulares é geralmente organizado de forma circular, i. Ou seja, consiste em uma fita dupla de DNA fechada para formar um anel. Em muitos organismos unicelulares e também em alguns organismos multicelulares (por exemplo, em algumas espécies de Cnidaria ), o mtDNA linearmente organizado também foi detectado (por exemplo, no ciliado Tetrahymena ou na alga verde Chlamydomonas reinhardinhartii ). As extremidades desta lineares mtDNA formar telomerase- independentes telômeros com diferentes mecanismos de replicação , o que os torna de pesquisa interessantes objetos , uma vez que existem muitos patógenos entre os protistas com linear mtDNA . A replicação e transcrição do mtDNA são controladas pela região de controle do mtDNA .

Embora uma DNA polimerase específica do mtDNA esteja presente (a Pol γ codificada pelo núcleo), a presença de seu próprio mtDNA não permite que as mitocôndrias se dividam e multipliquem, independentemente da célula em que estão localizadas. No entanto, a frequência de divisão da mitocôndria é apenas indiretamente dependente da frequência de divisão da célula. O mtDNA contém alguns, senão todos, os genes para as enzimas da cadeia respiratória e os genes responsáveis ​​pela estrutura e reprodução das mitocôndrias. No entanto, os genes de mais de 90% das proteínas que compõem uma mitocôndria estão localizados no núcleo e são sintetizados no citoplasma da célula . Após a transcrição e tradução, as proteínas acabadas são importadas para o interior da mitocôndria por meio das duas membranas mitocondriais com a ajuda de um complexo mecanismo de translocação (TOM / TIM) .

O mtDNA é organizado dentro da matriz nos chamados nucleoides , um equivalente do núcleo da célula, como também pode ser encontrado em procariotos . Eles contêm o ácido nucléico e as proteínas.

origem

A presença de seu próprio DNA é única entre as organelas celulares dos animais ; nas plantas , os cloroplastos (e outros plastídios ) têm a mesma propriedade. Este é o ponto de partida para a teoria endossimbiótica , que afirma que mitocôndrias e cloroplastos eram organismos originalmente independentes que foram incorporados a células precursoras de animais ou vegetais no curso da evolução e agora assumem certas funções para essas células. Outras indicações para isso são que as mitocôndrias têm aproximadamente o mesmo tamanho que bactérias pequenas , têm DNA circular e são circundadas por duas membranas. A maquinaria de síntese de proteínas (por exemplo, ribossomos mitocondriais ) das mitocôndrias também é muito semelhante à dos procariotos . Além disso, como o DNA bacteriano , o mtDNA não contém histonas reais e quase nenhum íntron . Em bactérias, mitocôndrias e plastídeos, no entanto, o DNA é condensado por proteínas funcionalmente semelhantes às histonas (HLPs, proteínas semelhantes às histonas inglesas ) que são homólogas umas às outras .

Organização de genoma diferente

Estranhamente, o padrão descrito não pode ser encontrado nas mitocôndrias do piolho humano ( Pediculus humanus ). Em vez disso, o genoma mitocondrial é organizado aqui em 18 cromossomos minicirculares, cada um com 3-4 kb de comprimento e codificando de um a três genes. Este padrão também pode ser encontrado em outros piolhos de animais reais ( Anoplura ), mas não nos piolhos da mandíbula ( Mallophaga ). Foi demonstrado que a recombinação ocorre entre os minicromossomos . A razão para essa diferença não é conhecida.

Variantes do código genético

Em 1979, foi descoberto que nas mitocôndrias humanas os mtDNA são traduzidos com um código genético que se desvia ligeiramente do padrão . Esses desvios foram previstos anteriormente. Desde então, várias variantes menores do código genético foram descobertas, incluindo vários códigos mitocondriais alternativos. No entanto, as mitocôndrias de muitos eucariotos, incluindo a maioria das plantas, usam o código padrão.

Algumas dessas diferenças devem ser vistas como pseudo alterações no código genético devido ao fenômeno de edição de RNA comum nas mitocôndrias . Em plantas superiores, acreditava-se que CGG codificava para triptofano em vez de arginina - no entanto, foi descoberto que o códon no RNA processado é o códon UGG, que é consistente com o código genético padrão para triptofano. É digno de nota que o código genético mitocondrial sofreu um desenvolvimento paralelo dentro de um grupo de artrópodes , com alguns organismos traduzindo claramente AGG em lisina (em vez de serina).

Transferência de gene endossimbiótico até a perda total

Os genomas mitocondriais têm muito menos genes do que as bactérias das quais se acredita serem derivados. Embora alguns genes tenham sido perdidos, muitos foram transferidos para o núcleo ( transferência de genes endossimbióticos , EGT), como B. para as subunidades proteicas do Complexo Respiratório II. Presume-se que isso tenha acontecido com relativa freqüência no curso da evolução, desde o surgimento dos eucariotos. Em alguns organismos, como Cryptosporidium parvum , a mitocôndria carece completamente de DNA. Presumivelmente, todos os seus genes foram perdidos ou transferidos para o núcleo. Em Cryptosporidium , as mitocôndrias possuem um sistema diferente para a síntese de ATP , o que torna o parasita resistente a muitos inibidores mitocondriais clássicos como cianeto , azida e atovaquona .

O mtDNA de humanos

O mtDNA humano consiste em 16.569 pares de bases com 37 genes . Eles expressar 13 mRNAs que código de subunidades proteicas das cadeia respiratória complexos I, III, IV e V , bem como 22 ARNt e dois rRNAs (12S e 16S rRNA). Com 10-15 moléculas por mitocôndria, o mtDNA tem entre 100 e 10.000 cópias por célula .

Herança

As mitocôndrias paternas com o mtDNA paterno geralmente não entram no zigoto. Apenas as mitocôndrias contidas na célula-ovo com o mtDNA materno se multiplicam no curso do desenvolvimento embrionário e posterior.

Uma análise de pedigree revela a herança materna de uma característica genética codificada no DNA mitocondrial

Em genealogia e antropologia , a herança do mtDNA desempenha um papel importante. Por um lado, isso tem a ver com o fato de que, em muitos organismos, as mitocôndrias geralmente são transmitidas apenas pela mãe , ou seja, apenas da mãe para a prole. As mitocôndrias dos espermatozoides estão localizadas em sua seção intermediária, que penetra na casca gelatinosa do óvulo durante a fertilização, mas não se torna parte do zigoto . O óvulo também secreta enzimas que dissolvem as mitocôndrias do esperma. Mais precisamente, eles são rotulados com ubiquitina e, em seguida, decompostos. As últimas descobertas sugerem que esse processo nem sempre é bem-sucedido, ou seja, o mtDNA masculino é ocasionalmente passado adiante.

O mtDNA sofre mutação a uma taxa muito constante, de modo que se pode dizer com relativa precisão o quão próximo (em termos de tempo) duas tribos estão relacionadas, ou seja, ou seja, quando os ancestrais dessas tribos se separaram. Na antropologia, poderia ser mostrado que a população indígena americana está mais intimamente relacionada à população indígena da Eurásia (isto é, descende de um ancestral comum); além disso, hipóteses sobre as origens do homem atual ( Eva mitocondrial ) puderam ser confirmadas. O projeto Genográfico , iniciado em 2005 , que examina a composição genética de pessoas em todos os continentes com o objetivo de obter conhecimentos mais precisos sobre as relações entre as várias populações e o curso de ocupação da terra pelo Homo sapiens , faz uso deles propriedades do mtDNA.

No caso de herança materna de mutações no mtDNA, as mulheres afetadas passam a característica para seus filhos de ambos os sexos. Os homens afetados não a transmitem a nenhum de seus filhos. Há alguns anos, a chamada herança paterna do mtDNA foi descoberta em várias espécies animais e em um caso em humanos. Parece ser relativamente raro (em ratos, a taxa é de 1: 10.000). Isso garante que o mtDNA paterno também seja transmitido à prole. Os processos exatos ainda não foram esclarecidos; Também não há números confiáveis ​​sobre a frequência com que essa forma de herança ocorre em humanos. Desde 2002, há apenas um caso conhecido em que uma peculiaridade / mutação especial do mtDNA foi herdada do pai para seu filho: enquanto o mtDNA do sangue foi herdado da mãe, 90% do mtDNA muscular foi herdado do pai. De acordo com outras investigações, geralmente se presumiu até agora (em 2009) que esse achado específico não contradiz a suposição de que as mitocôndrias em humanos geralmente só podem ser herdadas do lado materno; problemas metodológicos da análise poderiam simular herança paterna.

MtDNA de Neandertal

Svante Pääbo e seus colegas conseguiram, em 2008, o genoma mitocondrial de um Neandertal ( Homo neanderthalensis , completamente), que viveu 38.000 anos atrás, com uma sequência de precisão até então não atingida .

Haplogrupo mitocondrial humano

Genes

Em 2020, os cientistas relataram o uso de um novo Geneditors sem CRISPR , a primeira vez que os genes da mitocôndria foram processados . Os estudos de associação do genoma examinam o mtDNA para associações com fenótipos , como expectativa de vida e riscos de doenças como diabetes tipo 2.

Peptídeos derivados de mitocôndria

Sabe-se desde cerca de 2013 que, além das proteínas formadas na mitocôndria, vários peptídeos são formados aqui. Esses peptídeos são parcialmente liberados no citoplasma e têm funções regulatórias. Não há genes independentes que codificam esses peptídeos; eles são codificados em quadros de leitura abertos, sobrepostos a genes que codificam proteínas. Conseqüentemente, seu número exato ainda é desconhecido hoje. O primeiro peptídeo mitocondrial a ser descoberto foi a humanina , descoberta em 2001 por Yuichi Hashimoto , cuja sequência codificadora se sobrepõe ao mt-RNR2. É importante para proteger a célula do estresse oxidativo . Em 2020, um total de oito peptídeos derivados de mitocondrial (MDP) são conhecidos. Todos eles têm uma função protetora celular comparável à da humanina. Alguns deles também podem ser importantes como acompanhantes .

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Links da web

• MITOMAP - Banco de Dados do Genoma Mitocondrial Humano
• mtDB - Banco de dados do genoma mitocondrial humano
• HaploGrep - Determinação automática de haplogrupos de mtDNA
• EMPOP - Banco de dados da região de controle do DNA mitocondrial

Evidência individual

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