Ergänzung zu den Langbeinigen: Die Flamingo-Truppe Der Flamingo ist langfüßig, sogar sehr langbeinig und ein ungewöhnlich langbeiniger Vogel. Aber aus vernünftigen Gründen, auf die wir hier nicht eingehen werden, wurde es nun aus der Ordnung der Knöchelschnäbel ausgeschlossen (auch aus den Lamellenschnäbeln, zu denen auch Flamingos gehörten).

Das Neandertaler-Genom Bis vor Kurzem bestand der ultimative Traum der Paläogenetiker darin, mitochondriale DNA aus alten Knochen zu isolieren. Dieser kleine Teil des Genoms, der über die mütterliche Linie weitergegeben wird, ist in jeder Zelle in Hunderten von Kopien vorhanden, und das ist auch der Fall

Ergänzung zu Pasteurs Impfungen Eine neue und wichtige Ergänzung zu Pasteurs Impfungen wurde bereits im 20. Jahrhundert von Wissenschaftlern entwickelt. Vor einigen Jahren entwickelten sowjetische Wissenschaftler Gammaglobulin gegen Tollwut. Mit der Verfügbarkeit dieses Medikaments ist die Prävention von Tollwut noch besser geworden

Kapitel 14 Das erste menschliche Genom Die Aussicht, in einem wissenschaftlichen Rennen die Nase vorn zu haben, löst normalerweise Verzweiflung und verrückte Hoffnung aus – was ist, wenn Sie Glück haben und Ihr Konkurrent morgen stirbt? Manchmal möchte man einfach alles aufgeben, aber dann sind Jahre harter Arbeit umsonst

1.5. Labiles Genom Traditionelle Vorstellungen über die Stabilität von Genomen, die im Rahmen der klassischen Genetik entwickelt wurden, wurden nach der Entdeckung mobiler (migratorischer) genetischer Elemente (MGE) stark erschüttert. MGEs sind Strukturen, die sich innerhalb des Genoms bewegen können

Einführung

Seit der Entdeckung von DNA-Molekülen in Mitochondrien verging ein Vierteljahrhundert, bis sich nicht nur Molekularbiologen und Zytologen, sondern auch Genetiker, Evolutionisten sowie Paläontologen und Kriminologen für sie interessierten. Ein solch großes Interesse wurde durch die Arbeit von A. Wilson von der University of California hervorgerufen. 1987 veröffentlichte er die Ergebnisse einer vergleichenden Analyse der mitochondrialen DNA von 147 Vertretern verschiedener ethnischer Gruppen aller menschlichen Rassen, die auf fünf Kontinenten leben. Anhand der Art, Lage und Anzahl der einzelnen Mutationen wurde festgestellt, dass die gesamte mitochondriale DNA durch Divergenz aus einer angestammten Nukleotidsequenz entstanden ist. In der pseudowissenschaftlichen Presse wurde diese Schlussfolgerung extrem vereinfacht interpretiert – die gesamte Menschheit stammte von einer Frau ab, die mitochondriale Eva genannt wurde (da sowohl Töchter als auch Söhne Mitochondrien nur von ihrer Mutter erhalten), die etwa in Nordostafrika lebte Vor 200.000 Jahren. Weitere 10 Jahre später gelang es, ein aus den Überresten eines Neandertalers isoliertes Fragment mitochondrialer DNA zu entschlüsseln und die Existenz des letzten gemeinsamen Vorfahren von Mensch und Neandertaler auf ein Alter von 500.000 Jahren zu schätzen.

Heutzutage entwickelt sich die mitochondriale Genetik des Menschen sowohl in Populations- als auch in medizinischer Hinsicht intensiv weiter. Es wurde ein Zusammenhang zwischen einer Reihe schwerer Erbkrankheiten und Defekten in der mitochondrialen DNA festgestellt. Genetische Veränderungen im Zusammenhang mit dem Alter sind in den Mitochondrien am stärksten ausgeprägt. Was ist das mitochondriale Genom, das sich bei Menschen und anderen Tieren in Größe, Form und genetischer Kapazität von dem von Pflanzen, Pilzen und Protozoen unterscheidet? Welche Rolle spielt es, wie funktioniert es und wie ist das mitochondriale Genom in verschiedenen Taxa im Allgemeinen und beim Menschen im Besonderen entstanden? Dies wird in meinem „kleinen und bescheidensten“ Aufsatz besprochen.

Die mitochondriale Matrix enthält neben DNA auch eigene Ribosomen, die sich in vielen Merkmalen von eukaryotischen Ribosomen unterscheiden, die sich auf den Membranen des endoplasmatischen Retikulums befinden. Allerdings werden nicht mehr als 5 % aller in ihrer Zusammensetzung enthaltenen Proteine ​​auf den Ribosomen der Mitochondrien gebildet. Die meisten Proteine, die die strukturellen und funktionellen Komponenten der Mitochondrien bilden, werden vom Kerngenom kodiert, an den Ribosomen des endoplasmatischen Retikulums synthetisiert und durch seine Kanäle zum Montageort transportiert. Somit sind Mitochondrien das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengungen zweier Genome und zweier Transkriptions- und Translationsapparate. Einige Untereinheiten der Enzyme der mitochondrialen Atmungskette bestehen aus verschiedenen Polypeptiden, von denen einige vom Kerngenom und andere vom mitochondrialen Genom kodiert werden. Beispielsweise besteht das Schlüsselenzym der oxidativen Phosphorylierung, die Cytochrom-C-Oxidase in Hefe, aus drei Untereinheiten, die in Mitochondrien kodiert und synthetisiert werden, und vier Untereinheiten, die im Zellkern kodiert und im Zytoplasma synthetisiert werden. Die Expression der meisten mitochondrialen Gene wird durch spezifische Kerngene gesteuert.

Symbiotische Theorie des Ursprungs der Mitochondrien

Die Hypothese über den Ursprung von Mitochondrien und Pflanzenplastiden aus intrazellulären Endosymbiontenbakterien wurde bereits 1890 von R. Altman aufgestellt. Im Laufe des Jahrhunderts der rasanten Entwicklung der Biochemie, Zytologie, Genetik und Molekularbiologie, die vor einem halben Jahrhundert erschien, hat sich die Hypothese entwickelt zu einer Theorie herangewachsen, die auf einer großen Menge an Faktenmaterial basiert. Das Wesentliche ist: Mit dem Aufkommen photosynthetischer Bakterien sammelte sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre an – ein Nebenprodukt ihres Stoffwechsels. Mit steigender Konzentration wurde das Leben der anaeroben Heterotrophen komplizierter und einige von ihnen wechselten von der sauerstofffreien Fermentation zur oxidativen Phosphorylierung, um Energie zu gewinnen. Solche aeroben Heterotrophen könnten mit größerer Effizienz als anaerobe Bakterien organische Substanzen abbauen, die bei der Photosynthese entstehen. Ein Teil der freilebenden Aerobier wurde von Anaerobiern eingefangen, aber nicht „verdaut“, sondern als Energiestationen, Mitochondrien, gespeichert. Mitochondrien sollten nicht als Sklaven betrachtet werden, die gefangen genommen werden, um Zellen, die nicht atmen können, mit ATP-Molekülen zu versorgen. Es handelt sich vielmehr um „Lebewesen“, die bereits im Proterozoikum für sich und ihre Nachkommen den besten Unterschlupf fanden, in dem sie sich am wenigsten anstrengen konnten, ohne Gefahr zu laufen, gefressen zu werden.

Zahlreiche Fakten sprechen für die Symbiosentheorie:

Die Größe und Form von Mitochondrien und frei lebenden aeroben Bakterien stimmt überein; beide enthalten zirkuläre DNA-Moleküle, die nicht mit Histonen assoziiert sind (im Gegensatz zu linearer Kern-DNA);

Hinsichtlich der Nukleotidsequenzen unterscheiden sich ribosomale und Transfer-RNAs von Mitochondrien von nuklearen, zeigen aber überraschende Ähnlichkeit mit ähnlichen Molekülen einiger aerober gramnegativer Eubakterien;

Mitochondriale RNA-Polymerasen werden, obwohl sie im Zellkern kodiert sind, wie bakterielle durch Rifampicin gehemmt, und eukaryontische RNA-Polymerasen sind gegenüber diesem Antibiotikum unempfindlich;

Die Proteinsynthese in Mitochondrien und Bakterien wird durch dieselben Antibiotika unterdrückt, die die Ribosomen von Eukaryoten nicht beeinflussen;

Die Lipidzusammensetzung der inneren Membran der Mitochondrien und des bakteriellen Plasmalemmas ist ähnlich, unterscheidet sich jedoch stark von der der äußeren Membran der Mitochondrien, die zu anderen Membranen eukaryontischer Zellen homolog ist;

Die von der inneren Mitochondrienmembran gebildeten Cristae sind die evolutionären Analoga der mesosomalen Membranen vieler Prokaryoten;

Es gibt immer noch Organismen, die Zwischenformen auf dem Weg zur Bildung von Mitochondrien aus Bakterien nachahmen (primitive Amöben). Pelomyxa hat keine Mitochondrien, enthält aber immer endosymbiotische Bakterien).

Es gibt eine Vorstellung, dass verschiedene Königreiche der Eukaryoten unterschiedliche Vorfahren hatten und die bakterielle Endosymbiose in verschiedenen Stadien der Evolution lebender Organismen entstand. Dies belegen auch Unterschiede in der Struktur der mitochondrialen Genome von Protozoen, Pilzen, Pflanzen und höheren Tieren. Aber in allen Fällen gelangte der Großteil der Gene aus Promitochondrien in den Zellkern, möglicherweise mit Hilfe mobiler genetischer Elemente. Wenn ein Teil des Genoms eines Symbionten in das Genom eines anderen aufgenommen wird, wird die Integration der Symbionten irreversibel. Das neue Genom kann Stoffwechselwege schaffen, die zur Bildung nützlicher Produkte führen, die nicht von beiden Partnern einzeln synthetisiert werden können. Somit ist die Synthese von Steroidhormonen durch Zellen der Nebennierenrinde eine komplexe Reaktionskette, von der einige in Mitochondrien und andere im endoplasmatischen Retikulum ablaufen. Durch die Erfassung der promitochondrialen Gene konnte der Zellkern die Funktionen des Symbionten zuverlässig steuern. Im Zellkern sind alle Proteine ​​und die Lipidsynthese der äußeren Membran der Mitochondrien, die meisten Proteine ​​der Matrix und der inneren Membran der Organellen kodiert. Am wichtigsten ist, dass der Zellkern Enzyme für die mtDNA-Replikation, -Transkription und -Translation kodiert und dadurch das Wachstum und die Reproduktion von Mitochondrien steuert. Die Wachstumsrate der Symbiosepartner sollte ungefähr gleich sein. Wenn der Wirt schneller wächst, nimmt mit jeder Generation die Anzahl der Symbionten pro Individuum ab und schließlich erscheinen Nachkommen ohne Mitochondrien. Wir wissen, dass jede Zelle eines sich sexuell fortpflanzenden Organismus viele Mitochondrien enthält, die ihre DNA zwischen Teilungen des Wirts replizieren. Dadurch wird sichergestellt, dass jede der Tochterzellen mindestens eine Kopie des mitochondrialen Genoms erhält.

Die Rolle des Zellkerns bei der mitochondrialen Biogenese

Eine bestimmte Art mutierter Hefe weist eine große Deletion in der mitochondrialen DNA auf, die zu einem vollständigen Stopp der Proteinsynthese in den Mitochondrien führt; Infolgedessen können diese Organellen ihre Funktion nicht erfüllen. Da solche Mutanten beim Wachstum auf einem Medium mit niedrigem Glukosegehalt kleine Kolonien bilden, werden sie als zytoplasmatisches MuTantamizierlich.

Obwohl Petite-Mutanten keine mitochondriale Proteinsynthese aufweisen und daher keine normalen Mitochondrien bilden, enthalten solche Mutanten dennoch Promitochondrien, die bis zu einem gewissen Grad gewöhnlichen Mitochondrien ähneln, haben eine normale Außenmembran und eine Innenmembran mit schwach entwickelten Cristae. Promitochondrien enthalten viele Enzyme, die von Kerngenen kodiert und auf zytoplasmatischen Ribosomen synthetisiert werden, darunter DNA- und RNA-Polymerasen, alle Enzyme des Zitronensäurezyklus und viele Proteine, die die innere Membran bilden. Dies zeigt deutlich die vorherrschende Rolle des Kerngenoms bei der mitochondrialen Biogenese.

Es ist interessant festzustellen, dass die verlorenen DNA-Fragmente zwar 20 bis mehr als 99,9 % des mitochondrialen Genoms ausmachen, die Gesamtmenge der mitochondrialen DNA in Petite-Mutanten jedoch immer auf dem gleichen Niveau bleibt wie im Wildtyp. Dies ist auf den noch wenig erforschten Prozess der DNA-Amplifikation zurückzuführen, bei dem ein DNA-Molekül gebildet wird, das aus Tandemwiederholungen desselben Abschnitts besteht und die gleiche Größe wie ein normales Molekül hat. Beispielsweise besteht die mitochondriale DNA eines kleinen Mutanten, der 50 % der Nukleotidsequenz der Wildtyp-DNA behält, aus zwei Wiederholungen, während ein Molekül, das nur 50 % der Nukleotidsequenz der Wildtyp-DNA behält, aus zwei Wiederholungen besteht 0,1% Das Wildtyp-Genom wird aus 1000 Kopien des verbleibenden Fragments erstellt. So können mithilfe kleiner Mutanten große Mengen spezifischer Abschnitte mitochondrialer DNA gewonnen werden, die sozusagen von der Natur selbst geklont werden.

Obwohl die Biogenese von Organellen hauptsächlich durch Kerngene gesteuert wird, haben die Organellen selbst, einigen Daten zufolge, auch einen regulatorischen Einfluss auf das Rückkopplungsprinzip; Zumindest ist dies bei Mitochondrien der Fall. Wenn die Proteinsynthese in den Mitochondrien intakter Zellen blockiert ist, beginnen sich Enzyme, die an der mitochondrialen Synthese von DNA, RNA und Proteinen beteiligt sind, im Zytoplasma im Übermaß zu bilden, als ob die Zelle versuchen würde, die Wirkung des blockierenden Mittels zu überwinden. Aber obwohl die Existenz eines Signals von Mitochondrien außer Zweifel steht, ist seine Natur noch unbekannt.

Aus verschiedenen Gründen werden die Mechanismen der mitochondrialen Biogenese heute größtenteils in Kulturen untersucht Saccharomyces carlsbergensis(Bierhefe und S. Cerevisien(Bäckerhefe). Erstens zeigen diese Hefen beim Wachstum auf Glukose die einzigartige Fähigkeit, nur durch Glykolyse zu existieren, d. h. ohne Mitochondrienfunktion auszukommen. Dies ermöglicht die Untersuchung von Mutationen in der mitochondrialen und nuklearen DNA, die die Entwicklung dieser Organellen beeinträchtigen. Solche Mutationen sind in fast allen anderen Organismen tödlich. Zweitens ist Hefe – einfache einzellige Eukaryoten – leicht zu kultivieren und biochemisch zu untersuchen. Schließlich kann sich Hefe sowohl in der haploiden als auch in der diploiden Phase vermehren, normalerweise durch asexuelle Knospung (asymmetrische Mitose). Aber auch bei Hefe findet der sexuelle Prozess statt: Von Zeit zu Zeit verschmelzen zwei haploide Zellen zu einer diploiden Zygote, die sich dann entweder durch Mitose teilt oder eine Meiose durchläuft und wieder haploide Zellen produziert. Durch die experimentelle Kontrolle des Wechsels von asexueller und sexueller Fortpflanzung kann man viel über die Gene lernen, die für die Mitochondrienfunktion verantwortlich sind. Mit diesen Methoden lässt sich insbesondere herausfinden, ob solche Gene in der Kern-DNA oder in der mitochondrialen DNA lokalisiert sind, da Mutationen in mitochondrialen Genen nicht nach den Mendelschen Gesetzen vererbt werden, die die Vererbung von Kerngenen regeln.

Mitochondriale Transportsysteme

Die meisten in Mitochondrien und Chloroplasten enthaltenen Proteine ​​werden aus dem Zytosol in diese Organellen importiert. Dies wirft zwei Fragen auf: Wie leitet die Zelle Proteine ​​zur richtigen Organelle und wie gelangen diese Proteine ​​in die Zelle?

Eine teilweise Antwort wurde durch die Untersuchung des Transports der kleinen Untereinheit (S) des Enzyms in das Chloroplastenstroma erhalten Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxyMannlöcher. Wird die mRNA aus dem Zytoplasma einer einzelligen Alge isoliert Chlamydomonas oder aus Erbsenblättern, die als Matrix in ein Proteinsynthesesystem in vitro eingebracht werden, dann wird eines der vielen resultierenden Proteine ​​durch einen spezifischen Anti-S-Antikörper gebunden. Das in vitro synthetisierte S-Protein wird ppo-S genannt, da es etwa 50 Aminosäurereste größer ist als das reguläre S-Protein. Bei der Inkubation des Pro-S-Proteins mit intakten Chloroplasten dringt es in die Organellen ein und wird dort durch Peptidase in das S-Protein umgewandelt. Dann bindet das S-Protein an die große Untereinheit der Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase, die auf den Ribosomen des Chloroplasten synthetisiert wird, und bildet mit dieser im Stroma des Chloroplasten ein aktives Enzym.

Der Mechanismus des S-Proteintransfers ist unbekannt. Es wird angenommen, dass Pro-S an ein Rezeptorprotein bindet, das sich auf der Außenmembran des Chloroplasten oder an der Verbindungsstelle zwischen Außen- und Innenmembran befindet, und dann als Ergebnis eines Prozesses, der Energie erfordert, über Transmembrankanäle in das Stroma übertragen wird Ausgaben.

Der Proteintransport in die Mitochondrien erfolgt auf ähnliche Weise. Wenn gereinigte Hefe-Mitochondrien mit einem Zellextrakt inkubiert werden, der neu synthetisierte radioaktive Hefeproteine ​​enthält, kann beobachtet werden, dass mitochondriale Proteine, die vom Kerngenom kodiert werden, im Zytoplasma von nicht-mitochondrialen Proteinen getrennt und selektiv in Mitochondrien eingebaut werden – genau wie es in der Hefe geschieht intakte Zelle. Dabei gelangen die Proteine ​​der äußeren und inneren Membran, der Matrix und des Zwischenmembranraums in das entsprechende Kompartiment des Mitochondriums.

Viele der neu synthetisierten Proteine, die für die innere Membran, die Matrix und den Zwischenmembranraum bestimmt sind, verfügen an ihrem N-Terminus über ein Leitpeptid, das beim Transport durch eine spezifische Protease in der Matrix abgespalten wird. Der Transport von Proteinen in diese drei mitochondrialen Kompartimente erfordert die Energie eines elektrochemischen Protonengradienten, der an der inneren Membran erzeugt wird. Der Mechanismus des Proteintransfers für die äußere Membran ist anders: In diesem Fall ist weder Energie noch eine proteolytische Spaltung eines längeren Vorläuferproteins erforderlich. Diese und andere Beobachtungen legen nahe, dass alle vier Gruppen mitochondrialer Proteine ​​durch den folgenden Mechanismus in die Organelle transportiert werden: Es wird angenommen, dass alle Proteine, mit Ausnahme derjenigen, die für die äußere Membran bestimmt sind, als Ergebnis eines dafür erforderlichen Prozesses in die innere Membran eingebaut werden Energieaufwand und treten an Kontaktstellen zwischen der äußeren und inneren Membran auf. Offenbar erfährt das Protein nach diesem ersten Einbau in die Membran eine proteolytische Spaltung, die zu einer Änderung seiner Konformation führt; Je nachdem, wie sich die Konformation ändert, wird das Protein entweder in der Membran verankert oder in die Matrix bzw. in den Zwischenmembranraum „geschoben“.

Der Transfer von Proteinen durch die Membranen von Mitochondrien und Chloroplasten ähnelt im Prinzip dem Transfer durch die Membranen des endoplasmatischen Retikulums. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede. Erstens passiert das Protein beim Transport in die Matrix oder das Stroma sowohl die äußere als auch die innere Membran der Organelle, wohingegen die Moleküle beim Transport in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums nur eine Membran passieren. Darüber hinaus erfolgt über den Mechanismus der Transfer von Proteinen in das Retikulum gezielte Freisetzung(vektorielle Entladung) – sie beginnt, wenn das Protein das Ribosom noch nicht vollständig verlassen hat (kotranslationaler Import), und die Übertragung auf Mitochondrien und Chloroplasten erfolgt, nachdem die Synthese des Proteinmoleküls vollständig abgeschlossen ist (posttranslationaler Import).

Trotz dieser Unterschiede synthetisiert die Zelle in beiden Fällen Vorläuferproteine, die eine Signalsequenz enthalten, die bestimmt, zu welcher Membran das Protein geleitet wird. Offenbar wird diese Sequenz in vielen Fällen nach Abschluss des Transportprozesses vom Vorläufermolekül abgespalten. Einige Proteine ​​werden jedoch sofort in ihrer endgültigen Form synthetisiert. Man geht davon aus, dass in solchen Fällen die Signalsequenz in der Polypeptidkette des fertigen Proteins enthalten ist. Signalsequenzen sind immer noch kaum verstanden, aber es gibt wahrscheinlich mehrere Arten solcher Sequenzen, von denen jede den Transfer eines Proteinmoleküls in eine bestimmte Region der Zelle bestimmt. Beispielsweise werden in einer Pflanzenzelle einige der Proteine, deren Synthese im Zytosol beginnt, dann in die Mitochondrien transportiert, andere in Chloroplasten, andere in Peroxisomen und wieder andere in das endoplasmatische Retikulum. Die komplexen Prozesse, die zur korrekten intrazellulären Verteilung von Proteinen führen, werden erst jetzt verstanden.

Für den Aufbau neuer Mitochondrien werden neben Nukleinsäuren und Proteinen auch Lipide benötigt. Im Gegensatz zu Chloroplasten beziehen Mitochondrien den Großteil ihrer Lipide von außen. In tierischen Zellen werden im endoplasmatischen Retikulum synthetisierte Phospholipide mithilfe spezieller Proteine ​​zur Außenmembran der Mitochondrien transportiert und dann in die Innenmembran eingebaut; Es wird angenommen, dass dies an der Kontaktstelle zwischen zwei Membranen geschieht. Die Hauptreaktion der Lipidbiosynthese, die von den Mitochondrien selbst katalysiert wird, ist die Umwandlung von Phosphatidsäure in das Phospholipid Cardiolipin, das hauptsächlich in der inneren Mitochondrienmembran vorkommt und etwa 20 % aller Lipide ausmacht.

Größe und Form mitochondrialer Genome

Bisher wurden mehr als 100 verschiedene mitochondriale Genome gelesen. Der Satz und die Anzahl ihrer Gene in der mitochondrialen DNA, deren Nukleotidsequenz vollständig bestimmt ist, variieren stark zwischen verschiedenen Tier-, Pflanzen-, Pilz- und Protozoenarten. Die größte Anzahl an Genen wurde im mitochondrialen Genom begeißelter Protozoen gefunden Rectinomo-nas americana- 97 Gene, darunter alle proteinkodierenden Gene, die in der mtDNA anderer Organismen vorkommen. Bei den meisten höheren Tieren enthält das mitochondriale Genom 37 Gene: 13 für Atmungskettenproteine, 22 für tRNA und zwei für rRNA (für die 16S-rRNA der großen ribosomalen Untereinheit und für die kleine 12S-rRNA). Bei Pflanzen und Protozoen kodiert das mitochondriale Genom im Gegensatz zu Tieren und den meisten Pilzen auch einige Proteine, aus denen die Ribosomen dieser Organellen bestehen. Schlüsselenzyme der Matrizenpolynukleotidsynthese, wie DNA-Polymerase (Replikation mitochondrialer DNA) und RNA-Polymerase (Transkription des mitochondrialen Genoms), werden im Zellkern verschlüsselt und an Ribosomen im Zytoplasma synthetisiert. Diese Tatsache weist auf die Relativität der mitochondrialen Autonomie in der komplexen Hierarchie einer eukaryotischen Zelle hin.

Die mitochondrialen Genome verschiedener Arten unterscheiden sich nicht nur in der Menge der Gene, der Reihenfolge ihrer Position und Expression, sondern auch in der Größe und Form der DNA. Die überwiegende Mehrheit der heute beschriebenen mitochondrialen Genome sind zirkuläre superspiralisierte doppelsträngige DNA-Moleküle. Bei einigen Pflanzen gibt es neben kreisförmigen Formen auch lineare Formen, und bei einigen Protozoen, beispielsweise Ciliaten, findet sich in den Mitochondrien nur lineare DNA.

In der Regel enthält jedes Mitochondrium mehrere Kopien seines Genoms. So gibt es in menschlichen Leberzellen etwa zweitausend Mitochondrien, und jedes von ihnen enthält 10 identische Genome. In Mäusefibroblasten gibt es 500 Mitochondrien, die zwei Genome enthalten, und in Hefezellen S. cerevisiae- bis zu 22 Mitochondrien mit jeweils vier Genomen.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225"> Abb. 2. Schema der Bildung von linearen (A), zirkulären (B) und kettenförmigen (C) mtDNA-Oligomeren. ori ist die Region, in der die DNA-Replikation beginnt.

Die Größe des mitochondrialen Genoms verschiedener Organismen reicht von weniger als 6.000 Nukleotidpaaren im Falciparum-Plasmodium (zusätzlich zu zwei rRNA-Genen enthält es nur drei Protein-kodierende Gene) bis zu Hunderttausenden Nukleotidpaaren in Landpflanzen (z Beispiel, Arabidopsis thaliana aus der Familie der Kreuzblütler (366924 Nukleotidpaare). Darüber hinaus werden sogar innerhalb derselben Familie 7- bis 8-fache Unterschiede in der Größe der mtDNA höherer Pflanzen gefunden. Die Länge der mtDNA von Wirbeltieren unterscheidet sich geringfügig: beim Menschen - 16569 Nukleotidpaare, bei Schweinen - 16350, bei Delfinen - 16330, bei Krallenfröschen Xenopus laevis- 17533, bei Karpfen - 16400. Diese Genome ähneln sich auch in der Lokalisierung von Genen, von denen die meisten Ende an Ende angeordnet sind; in manchen Fällen überlappen sie sich sogar, meist um ein Nukleotid, so dass das letzte Nukleotid eines Gens das erste im nächsten ist. Im Gegensatz zu Wirbeltieren enthält mtDNA in Pflanzen, Pilzen und Protozoen bis zu 80 % nichtkodierende Sequenzen. Die Reihenfolge der Gene im mitochondrialen Genom ist je nach Art unterschiedlich.

Die hohe Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies in Mitochondrien und ein schwaches Reparatursystem erhöhen die Häufigkeit von mtDNA-Mutationen im Vergleich zu nuklearer DNA um eine Größenordnung. Sauerstoffradikale verursachen spezifische Substitutionen C®T (Cytosin-Desaminierung) und G®T (oxidative Schädigung von Guanin), wodurch mtDNA möglicherweise reich an AT-Paaren ist. Darüber hinaus haben alle mtDNAs eine interessante Eigenschaft – sie sind im Gegensatz zu nuklearen und prokaryotischen DNAs nicht methyliert. Es ist bekannt, dass Methylierung (vorübergehende chemische Modifikation der Nukleotidsequenz ohne Störung der kodierenden Funktion der DNA) einer der Mechanismen der programmierten Geninaktivierung ist.

Größe und Struktur von DNA-Molekülen in Organellen

Relative Mengen an DNA-Organellen in einigen Zellen und Geweben

Funktionsweise des mitochondrialen Genoms

Was ist das Besondere an den Mechanismen der DNA-Replikation und -Transkription von Säugetier-Mitochondrien?

Komplementär" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">Komplementäre Ketten in mtDNA unterscheiden sich erheblich in der spezifischen Dichte, da sie ungleiche Mengen an „schweren“ Purin- und „leichten“ Pyrimidinnukleotiden enthalten. Das ist, was sie sind genannt. - H (schwer – schwer) und L (leicht – leicht) Kette Zu Beginn der Replikation des mtDNA-Moleküls wird ein sogenannter D-Loop gebildet (vom englischen Displacement Loop – eine Verdrängungsschleife). skop, besteht aus einem doppelsträngigen und einem einzelsträngigen Abschnitt (zurückgezogener Teil der H-Kette). Der doppelsträngige Abschnitt wird durch einen Teil der L-Kette und ein komplementäres neu synthetisiertes DNA-Fragment mit einer Länge von gebildet 450-650 (abhängig von der Art des Organismus) Nukleotide, mit 5"-Ende des Ribonukleotid-Primers, was dem Startpunkt der H-Ketten-Synthese (oriH) entspricht. Die Synthese der L-Kette beginnt erst, wenn die Tochter-H-Kette den Punkt ori L erreicht. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Region, in der die Replikation der L-Kette beginnt, für DNA-Syntheseenzyme nur in einem Einzelstrang zugänglich ist Zustand und daher nur im ungeflochtenen Zustand der Doppelhelix während der Synthese der H-Kette. Somit werden die Tochterstränge der mtDNA kontinuierlich und asynchron synthetisiert (Abb. 3).

Abb. 3. mtDNA-Replikationsschema für Säugetiere. Zuerst wird die D-Schleife gebildet, dann wird die Tochter-H-Kette synthetisiert, dann beginnt die Synthese der Tochter-L-Kette.

Das Ende des 16S-rRNA-Gens (Abb. 4). Es gibt zehnmal mehr solcher kurzen Transkripte als lange. Durch Reifung (Verarbeitung) entstehen daraus 12S-rRNA und 16S-rRNA, die an der Bildung mitochondrialer Ribosomen beteiligt sind, sowie Phenylalanin- und Valin-tRNA. Die restlichen tRNAs werden aus langen Transkripten herausgeschnitten und es entstehen translatierte mRNAs, an deren 3"-Enden Polyadenylsequenzen angebracht sind. Die 5"-Enden dieser mRNAs sind nicht gekappt, was für Eukaryoten ungewöhnlich ist. Ein Spleißen (Fusion) findet nicht statt, da keines der mitochondrialen Gene von Säugetieren Introns enthält.

Abb. 4. Transkription menschlicher mtDNA mit 37 Genen. Die Synthese aller Transkripte beginnt in der ori-H-Region. Ribosomale RNAs werden aus den langen und kurzen H-Strang-Transkripten herausgeschnitten. tRNA und mRNA entstehen durch Verarbeitung aus Transkripten beider DNA-Stränge. tRNA-Gene sind hellgrün dargestellt.

Möchten Sie wissen, welche weiteren Überraschungen das mitochondriale Genom bereithalten kann? Großartig! Weiter lesen!..

Leader- und 3"-nichtkodierende Regionen, wie die meisten nuklearen mRNAs. Eine Reihe von Genen enthalten auch Introns. Daher gibt es im Box-Gen, das für Cytochromoxidase b kodiert, zwei Introns. Aus dem primären RNA-Transkript, autokatalytisch (ohne Beteiligung von Eine Kopie des ersten Introns wird herausgeschnitten. Die verbleibende RNA dient als Matrize für die Bildung des Enzyms Maturase, das am Spleißen beteiligt ist Die Maturase schneidet sie aus, zerstört ihre eigenen mRNA-Kopien und bildet die mRNA für Cytochromoxidase b (Abb. 5). „nichtkodierende Sequenzen.“

Abb. 5. Verarbeitung (Reifung) von Cytochromoxidase b-mRNA in Hefe-Mitochondrien. In der ersten Stufe des Spleißens wird mRNA gebildet, die die für die zweite Stufe des Spleißens notwendige Maturase synthetisiert.

Bei der Untersuchung der Expression mitochondrialer Gene Trypanosoma brucei Es wurde eine überraschende Abweichung von einem der grundlegenden Axiome der Molekularbiologie entdeckt, das besagt, dass die Sequenz der Nukleotide in der mRNA genau der in den kodierenden Regionen der DNA entspricht. Es stellte sich heraus, dass die mRNA einer der Untereinheiten der Cytochrom-C-Oxidase editiert ist, d. h. nach der Transkription ändert sich ihre Primärstruktur – es werden vier Uracile eingefügt. Dadurch entsteht eine neue mRNA, die als Matrix für die Synthese einer weiteren Untereinheit des Enzyms dient, deren Aminosäuresequenz nichts mit der Sequenz von Viren, Pilzen, Pflanzen und Tieren zu tun hat Forscher Burrell verglich die Struktur eines der mitochondrialen Gene von Kälbern mit der Aminosäuresequenz in der von diesem Gen kodierten Cytochromoxidase-Untereinheit. Es stellte sich heraus, dass der genetische Code von Rindermitochondrien (wie auch von Menschen) nicht nur vom universellen abweicht Erstens ist es „ideal“, das heißt, es folgt der folgenden Regel: „Wenn zwei Codons zwei identische Nukleotide haben und die dritten Nukleotide zur gleichen Klasse gehören (Purin – A, G oder Pyrimidin – U, C), dann kodieren sie für dieselbe Aminosäure.“ Im universellen Code gibt es zwei Ausnahmen von dieser Regel: Das Triplett AUA kodiert für Isoleucin und das Codon AUG für Methionin, während im idealen mitochondrialen Code beide Tripletts für Methionin kodieren; Das UGG-Triplett kodiert nur Tryptophan und das UGA-Triplett kodiert ein Stoppcodon. Im universellen Code betreffen beide Abweichungen die grundlegenden Aspekte der Proteinsynthese: Das AUG-Codon ist das initiierende Codon und das Stoppcodon UGA stoppt die Synthese des Polypeptids. Der ideale Code ist nicht allen beschriebenen Mitochondrien inhärent, aber keine von ihnen verfügt über einen universellen Code. Wir können sagen, dass Mitochondrien verschiedene Sprachen sprechen, aber niemals die Sprache des Zellkerns.

Unterschiede zwischen dem „universellen“ genetischen Code und den beiden mitochondrialen Codes

Wie bereits erwähnt, gibt es im mitochondrialen Genom von Wirbeltieren 22 tRNA-Gene. Wie bedient ein solch unvollständiger Satz alle 60 Codons für Aminosäuren (im idealen Code von 64 Tripletts gibt es vier Stoppcodons, im universellen Code sind es drei)? Tatsache ist, dass während der Proteinsynthese in Mitochondrien die Codon-Anticodon-Wechselwirkungen vereinfacht werden – zwei von drei Anticodon-Nukleotiden werden zur Erkennung verwendet. Somit erkennt eine tRNA alle vier Mitglieder der Codon-Familie und unterscheidet sich nur im dritten Nukleotid. Beispielsweise ist Leucin-tRNA mit dem GAU-Anticodon auf dem Ribosom gegenüber den Codons TsU, TsUC, TsUA und Tsug positioniert und sorgt so für den unverwechselbaren Einbau von Leucin in die Polypeptidkette. Zwei weitere Leucin-Codons, UUA und UUG, werden von tRNA mit dem Anticodon AAU erkannt. Insgesamt erkennen acht verschiedene tRNA-Moleküle acht Familien mit jeweils vier Codons, und 14 tRNAs erkennen verschiedene Codonpaare, die jeweils für eine Aminosäure kodieren.

Es ist wichtig, dass Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Enzyme, die für die Anlagerung von Aminosäuren an die entsprechenden mitochondrialen tRNAs verantwortlich sind, im Zellkern kodiert und an den Ribosomen des endoplasmatischen Retikulums synthetisiert werden. Somit sind bei Wirbeltieren alle Proteinkomponenten der mitochondrialen Polypeptidsynthese im Zellkern verschlüsselt. In diesem Fall wird die Proteinsynthese in Mitochondrien nicht durch Cycloheximid unterdrückt, das die Arbeit eukaryontischer Ribosomen blockiert, sondern reagiert empfindlich auf die Antibiotika Erythromycin und Chloramphenicol, die die Proteinsynthese in Bakterien hemmen. Diese Tatsache ist eines der Argumente für die Entstehung von Mitochondrien aus aeroben Bakterien während der symbiotischen Bildung eukaryontischer Zellen.

Die Bedeutung eines eigenen genetischen Systems für Mitochondrien

Warum benötigen Mitochondrien ein eigenes genetisches System, andere Organellen wie Peroxisomen und Lysosomen hingegen nicht? Dieses Problem ist keineswegs trivial, da die Aufrechterhaltung eines separaten genetischen Systems angesichts der erforderlichen Anzahl zusätzlicher Gene im Kerngenom für die Zelle kostspielig ist. Hier sollen ribosomale Proteine, Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, DNA- und RNA-Polymerasen, RNA-Prozessierungs- und Modifikationsenzyme usw. kodiert werden. Die meisten der untersuchten Proteine ​​aus Mitochondrien unterscheiden sich in der Aminosäuresequenz von ihren Gegenstücken aus anderen Teilen der Zelle Es besteht Grund zu der Annahme, dass es in diesen Organen nur sehr wenige Proteine ​​gibt, die anderswo gefunden werden könnten. Das bedeutet, dass allein zur Aufrechterhaltung des genetischen Systems der Mitochondrien mehrere Dutzend zusätzliche Gene im Kerngenom vorhanden sein müssen. Die Gründe für diese „Verschwendung“ sind unklar und die Hoffnung, dass die Antwort in der Nukleotidsequenz der mitochondrialen DNA zu finden wäre, hat sich nicht erfüllt. Es ist schwer vorstellbar, warum in Mitochondrien gebildete Proteine ​​notwendigerweise dort synthetisiert werden müssen und nicht im Zytosol.

Typischerweise wird die Existenz eines genetischen Systems in Energieorganellen dadurch erklärt, dass einige der im Inneren der Organelle synthetisierten Proteine ​​zu hydrophob sind, um von außen durch die Mitochondrienmembran zu gelangen. Untersuchungen des ATP-Synthetase-Komplexes haben jedoch gezeigt, dass eine solche Erklärung unplausibel ist. Obwohl die einzelnen Proteinuntereinheiten der ATP-Synthetase im Laufe der Evolution stark konserviert sind, ändern sich die Orte ihrer Synthese. In Chloroplasten werden mehrere ziemlich hydrophile Proteine, darunter vier der fünf Untereinheiten des F1-ATPase-Teils des Komplexes, auf Ribosomen innerhalb der Organelle produziert. Im Gegenteil, der Pilz Neurospora und in tierischen Zellen wird eine sehr hydrophobe Komponente (Untereinheit 9) des Membranteils der ATPase an den Ribosomen des Zytoplasmas synthetisiert und gelangt erst danach in die Organelle. Die unterschiedliche Lokalisierung von Genen, die Untereinheiten funktionell gleichwertiger Proteine ​​in verschiedenen Organismen kodieren, lässt sich nur schwer mit einer Hypothese erklären, die bestimmte evolutionäre Vorteile moderner genetischer Systeme aus Mitochondrien und Chloroplasten postuliert.

Unter Berücksichtigung all dessen können wir nur davon ausgehen, dass das mitochondriale genetische System eine evolutionäre Sackgasse darstellt. Im Rahmen der Endosymbiotenhypothese bedeutet dies, dass der Prozess der Übertragung von Endosymbiontengenen in das Kerngenom des Wirts gestoppt wurde, bevor er vollständig abgeschlossen war.

Zytoplasmatische Vererbung

Die Folgen des zytoplasmatischen Gentransfers sind für einige Tiere, darunter auch den Menschen, schwerwiegender als für Hefen. Zwei verschmelzende haploide Hefezellen sind gleich groß und tragen die gleiche Menge an mitochondrialer DNA zur resultierenden Zygote bei. So wird bei Hefe das mitochondriale Genom von beiden Elternteilen vererbt, die gleichermaßen zum Genpool der Nachkommen beitragen (allerdings erst nach mehreren Generationen). separate Nachkommen enthalten oft Mitochondrien nur eines der Elterntypen. Im Gegensatz dazu trägt bei höheren Tieren die Eizelle mehr Zytoplasma zur Zygote bei als das Sperma, und bei einigen Tieren trägt das Sperma möglicherweise überhaupt nicht zum Zytoplasma bei. Daher kann man davon ausgehen, dass bei höheren Tieren das mitochondriale Genom nur von einem Elternteil (nämlich von) weitergegeben wird mütterlicherseits Linien); und tatsächlich wurde dies durch Experimente bestätigt. Es stellte sich beispielsweise heraus, dass bei der Kreuzung von Ratten zweier Laborstämme mit mitochondrialer DNA, die sich in der Nukleotidsequenz geringfügig unterscheiden (Typ A und B), Nachkommen erhalten werden, die enthalten

enthält nur mitochondriale DNA des mütterlichen Typs.

Die zytoplasmatische Vererbung unterliegt im Gegensatz zur nuklearen Vererbung nicht den Mendelschen Gesetzen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Gameten verschiedener Geschlechter bei höheren Tieren und Pflanzen unterschiedliche Mengen an Mitochondrien enthalten. In einem Mäuseei gibt es also 90.000 Mitochondrien, in einem Spermium jedoch nur vier. Es ist offensichtlich, dass in einer befruchteten Eizelle die Mitochondrien überwiegend oder nur vom weiblichen Individuum stammen, d. h. die Vererbung aller mitochondrialen Gene erfolgt mütterlicherseits. Die genetische Analyse der zytoplasmatischen Vererbung ist aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Kern und Zytoplasma schwierig. Im Falle der zytoplasmatischen männlichen Sterilität interagiert das mutierte mitochondriale Genom mit bestimmten Kerngenen, deren rezessive Allele für die Entwicklung des Merkmals notwendig sind. Dominante Allele dieser Gene stellen sowohl im homozygoten als auch im heterozygoten Zustand die Pflanzenfruchtbarkeit wieder her, unabhängig vom Zustand des mitochondrialen Genoms.

Ich möchte anhand eines konkreten Beispiels näher auf den Mechanismus der mütterlichen Vererbung von Genen eingehen. Um den Mechanismus der nicht-mendelschen (zytoplasmatischen) Vererbung mitochondrialer Gene endgültig und unwiderruflich zu verstehen, betrachten wir, was mit solchen Genen passiert, wenn zwei haploide Zellen zu einer diploiden Zygote verschmelzen. Für den Fall, dass eine Hefezelle eine Mutation trägt, die die Resistenz der mitochondrialen Proteinsynthese gegenüber Chloramphenicol bestimmt, und die andere, eine Wildtyp-Zelle, empfindlich auf dieses Antibiotikum reagiert: Mutierte Gene können leicht identifiziert werden, indem Hefe auf einem Medium mit gezüchtet wird Glycerin, das nur Zellen mit intakten Mitochondrien nutzen können; Daher können in Gegenwart von Chloramphenicol nur Zellen, die das mutierte Gen tragen, in einem solchen Medium wachsen. Unsere diploide Zygote wird zunächst sowohl mutierte als auch wildtypische Mitochondrien aufweisen. Durch die Mitose entsteht aus der Zygote eine diploide Tochterzelle, die nur eine geringe Anzahl Mitochondrien enthält. Nach mehreren mitotischen Zyklen erhält schließlich eine der neuen Zellen alle Mitochondrien, entweder Mutanten oder Wildtyp. Daher werden alle Nachkommen einer solchen Zelle genetisch identische Mitochondrien haben. Ein solcher zufälliger Prozess, bei dem diploide Nachkommen entstehen, die nur eine Art von Mitochondrien enthalten, wird als bezeichnet mitotischTh seGemeindeTh. Wenn eine diploide Zelle mit nur einem Mitochondrientyp eine Meiose durchläuft, erhalten alle vier haploiden Tochterzellen dieselben mitochondrialen Gene. Diese Art der Vererbung heißt nemendeein Löwe überfliegen oder zytoplasmatisch im Gegensatz zur Mendelschen Vererbung nuklearer Gene. Zytoplasmatischer Gentransfer bedeutet, dass sich die untersuchten Gene in Mitochondrien befinden.

Die Untersuchung der mitochondrialen Genome, ihrer Evolution, die den spezifischen Gesetzen der Populationsgenetik folgt, und der Beziehungen zwischen nuklearen und mitochondrialen genetischen Systemen ist notwendig, um die komplexe hierarchische Organisation der eukaryotischen Zelle und des Organismus als Ganzes zu verstehen.

Einige Erbkrankheiten und das Altern des Menschen sind mit bestimmten Mutationen in der mitochondrialen DNA oder in Kerngenen verbunden, die die Mitochondrienfunktion steuern. Es häufen sich Daten über die Beteiligung von mtDNA-Defekten an der Krebsentstehung. Daher könnten Mitochondrien ein Ziel für eine Krebs-Chemotherapie sein. Es gibt Fakten über die enge Interaktion des Kern- und Mitochondriengenoms bei der Entwicklung einer Reihe menschlicher Pathologien. Bei Patienten mit schwerer Muskelschwäche, Ataxie, Taubheit und geistiger Behinderung wurden mehrere mtDNA-Deletionen gefunden, die autosomal-dominant vererbt wurden. In den klinischen Manifestationen der koronaren Herzkrankheit wurde ein sexueller Dimorphismus festgestellt, der höchstwahrscheinlich auf den mütterlichen Effekt – die zytoplasmatische Vererbung – zurückzuführen ist. Die Entwicklung der Gentherapie gibt Anlass zur Hoffnung, Defekte im mitochondrialen Genom in absehbarer Zukunft beheben zu können.

Um die Funktion einer der Komponenten eines Mehrkomponentensystems zu überprüfen, ist es bekanntermaßen erforderlich, diese Komponente zu eliminieren und anschließend die aufgetretenen Änderungen zu analysieren. Da das Thema dieser Zusammenfassung darin besteht, die Rolle des mütterlichen Genoms für die Entwicklung des Nachwuchses aufzuzeigen, wäre es logisch, etwas über die Folgen von Störungen in der Zusammensetzung des mitochondrialen Genoms zu erfahren, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden. Das Instrument zur Untersuchung der oben genannten Rolle war der Mutationsprozess, und die Konsequenzen seiner Wirkung, die uns interessierten, waren die sogenannten. mitochondriale Erkrankungen.

Mitochondriale Erkrankungen sind ein Beispiel für die zytoplasmatische Vererbung beim Menschen, genauer gesagt für die „Organellen-Vererbung“. Diese Klarstellung sollte erfolgen, weil Die Existenz von zytoplasmatischen erblichen Determinanten, die nicht mit Zellorganellen – Zytogenen – assoziiert sind, ist zumindest in einigen Organismen inzwischen nachgewiesen (-Vechtomov, 1996).

Mitochondriale Erkrankungen sind eine heterogene Gruppe von Erkrankungen, die durch genetische, strukturelle, biochemische Defekte der Mitochondrien und eine beeinträchtigte Gewebeatmung verursacht werden. Um eine Diagnose einer mitochondrialen Erkrankung zu stellen, ist eine umfassende genealogische, klinische, biochemische, morphologische und genetische Analyse wichtig. Das wichtigste biochemische Zeichen einer mitochondrialen Pathologie ist die Entwicklung einer Laktatazidose; in der Regel wird eine hyperlaktische Azidämie in Kombination mit einer hyperpyruvatischen Azidämie festgestellt. Die Anzahl der verschiedenen Optionen erreichte 120 Formen. Es kommt zu einem stabilen Anstieg der Konzentration von Milch- und Brenztraubensäure in der Liquor cerebrospinalis.

Mitochondriale Erkrankungen (MD) stellen ein erhebliches Problem für die moderne Medizin dar. Nach den Methoden der erblichen Übertragung gehören zu den MDs monogen vererbte Krankheiten nach dem Mendelschen Typ, bei denen aufgrund der Mutation von Kerngenen entweder die Struktur und Funktion mitochondrialer Proteine ​​gestört ist oder sich auch die Expression mitochondrialer DNA verändert als Krankheiten, die durch Mutationen mitochondrialer Gene verursacht werden und hauptsächlich über die mütterliche Linie auf die Nachkommen übertragen werden.

Daten aus morphologischen Studien, die auf eine grobe Pathologie der Mitochondrien hinweisen: abnormale Proliferation der Mitochondrien, Polymorphismus der Mitochondrien mit Störungen in Form und Größe, Desorganisation der Kristalle, Ansammlungen abnormaler Mitochondrien unter dem Sarkolemm, parakristalline Einschlüsse in den Mitochondrien, Vorhandensein interfibrillärer Vakuolen

Formen mitochondrialer Erkrankungen

1 . Mitochondriale Erkrankungen, die durch Mutationen in der mitochondrialen DNA verursacht werden

1.1. Durch mitochondriale DNA-Deletionen verursachte Krankheiten

1.1.1.Cairns-Sayre-Syndrom

Die Krankheit manifestiert sich im Alter von 4 bis 18 Jahren, fortschreitende äußere Ophthalmoplegie, Retinitis pigmentosa, Ataxie, Intentionstremor, atrioventrikulärer Herzblock, erhöhte Proteinwerte in der Liquor cerebrospinalis von mehr als 1 g/l, „zerlumpte“ rote Fasern im Skelett Muskelbiopsien

1.1.2.Pearson-Syndrom

Der Krankheitsbeginn liegt bei der Geburt oder in den ersten Lebensmonaten, manchmal ist die Entwicklung von Enzephalomyopathien, Ataxie, Demenz, progressiver äußerer Ophthalmoplegie, hypoplastischer Anämie, beeinträchtigter exokriner Pankreasfunktion und progressivem Verlauf möglich

2 .Krankheiten, die durch Punktmutationen in der mitochondrialen DNA verursacht werden

Mütterlicher Erbgang, akute oder subakute Abnahme der Sehschärfe in einem oder beiden Augen, Kombination mit neurologischen und osteoartikulären Störungen, retinale Mikroangiopathie, progressiver Verlauf mit der Möglichkeit einer Remission oder Wiederherstellung der Sehschärfe, Krankheitsbeginn im Alter von 20 Jahren -30 Jahre

2.2.NAPR-Syndrom (Neuropathie, Ataxie, Retinitis pigmentosa)

Mütterlicher Erbgang, eine Kombination aus Neuropathie, Ataxie und Retinitis pigmentosa, verzögerte psychomotorische Entwicklung, Demenz, Vorhandensein „zerrissener“ roter Fasern in Muskelgewebebiopsien

2.3.MERRF-Syndrom (Myoklonus-Epilepsie, „zerlumpte“ rote Fasern)

Mütterlicher Erbgang, Krankheitsbeginn im Alter von 3-65 Jahren, myoklonische Epilepsie, Ataxie, Demenz in Kombination mit sensorineuraler Taubheit, Atrophie der Sehnerven und Störungen der Tiefensensibilität, Laktatazidose, EEG-Untersuchungen zeigen generalisierte Badezimmerepilepsie Komplexe, „zerlumpte“ rote Fasern in Skelettmuskelbiopsien, progressiver Verlauf

2.4. MELAS-Syndrom (Mitochondriale Enzephalomyopathie, Laktatazidose, Schlaganfall-ähnliche Episoden)

Mütterlicher Erbgang, Krankheitsbeginn vor dem 40. Lebensjahr, Belastungsunverträglichkeit, migräneartige Kopfschmerzen mit Übelkeit und Erbrechen, schlaganfallartige Episoden, Krämpfe, Laktatazidose, „zerlumpte“ rote Fasern in Muskelbiopsien, progressiver Verlauf.

3 .Pathologie im Zusammenhang mit Defekten in der intergenomischen Kommunikation

3.1.Multiple mitochondriale DNA-Deletionssyndrome

Blepharoptose, äußere Ophthalmoplegie, Muskelschwäche, sensorineurale Taubheit, Atrophie des Sehnervs, progressiver Verlauf, „gerissene“ rote Fasern in Skelettmuskelbiopsien, verminderte Aktivität von Atmungskettenenzymen.

3.2. Mitochondriales DNA-Deletionssyndrom

Autosomal-rezessiver Erbgang

Klinische Formen:

3.2.1.Tödlicher Infantil

a) schweres Leberversagen, b) Hepatopathie, c) Muskelhypotonie

Debüt in der Neugeborenenperiode

3.2.2.Angeborene Myopathie

Schwere Muskelschwäche, generalisierte Hypotonie, Kardiomyopathie und Krämpfe, Nierenschäden, Glykosurie, Aminoazidopathie, Phosphaturie

3.2.3.Infantile Myopathie

tritt in den ersten 2 Lebensjahren auf, fortschreitende Muskelschwäche, Atrophie der proximalen Muskelgruppen und Verlust der Sehnenreflexe, rasch fortschreitender Verlauf, Tod in den ersten 3 Lebensjahren.

4 Mitochondriale Erkrankungen, die durch nukleare DNA-Mutationen verursacht werden

4.1.Erkrankungen, die mit Defekten in der Atmungskette einhergehen

4.1.1. Komplex-1-Mangel (NADH:CoQ-Reduktase)

Krankheitsbeginn vor dem 15. Lebensjahr, Myopathie-Syndrom, verzögerte psychomotorische Entwicklung, Störungen des Herz-Kreislauf-Systems, therapieresistente Krämpfe, multiple neurologische Störungen, progressiver Verlauf

4.1.2.Komplex-2-Mangel (Succinat-CoQ-Reduktase)

Gekennzeichnet durch Enzephalomyopathie-Syndrom, progressiver Verlauf, Krampfanfälle, mögliche Entwicklung einer Ptosis

4.1.3.Mangel an Komplex 3 (CoQ-Cytochrom-C-Oxidoreduktase)

Multisystemstörungen, Schädigung verschiedener Organe und Systeme mit Beteiligung des zentralen und peripheren Nervensystems, des endokrinen Systems, der Nieren, progressiver Verlauf

4.1.4.Komplexer Mangel (Cytochrom-C-Oxidase)

4.1.4.1. Tödliche infantile angeborene Laktatazidose

Mitochondriale Myopathie mit Nierenversagen oder Kardiomyopathie, Beginn im Neugeborenenalter, schwere Atemwegserkrankungen, diffuse Muskelhypotonie, progressiver Verlauf, Tod im ersten Lebensjahr.

4.1.4.2.Gutartige infantile Muskelschwäche

Bei adäquater und rechtzeitiger Behandlung ist eine Atrophie, eine schnelle Stabilisierung des Prozesses und eine Genesung nach 1-3 Lebensjahren möglich

5 Menkes-Syndrom (Trichopolyodystrophie)

Eine starke Verzögerung der psychomotorischen Entwicklung, Wachstumsstörungen, Wachstumsstörungen und dystrophische Veränderungen der Haare,

6 . Mitochondriale Enzephalomyopathien

6.1.Leigh-Syndrom(subakute neurotisierende Enzephalomyelopathie)

Tritt nach 6 Lebensmonaten auf, werden häufig Muskelhypotonie, Ataxie, Nystagmus, Pyramidensymptome, Ophthalmoplegie, Sehnervenatrophie, zusätzlich eine Kardiomyopathie und eine leichte metabolische Azidose festgestellt

6.2.Alpers-Syndrom(progressive sklerosierende Polydystrophie)

Degeneration der grauen Substanz des Gehirns in Kombination mit Leberzirrhose, Mangel an Komplex 5 (ATP-Synthetase), verzögerte psychomotorische Entwicklung, Ataxie, Demenz, Muskelschwäche, fortschreitender Krankheitsverlauf, ungünstige Prognose

6.3.Coenzym-Q-Mangel

Stoffwechselkrisen, Muskelschwäche und -müdigkeit, Ophthalmoplegie, Taubheit, vermindertes Sehvermögen, schlaganfallartige Episoden, Ataxie, Myoklonusepilepsie, Nierenschäden: Glukosurie, Aminoazidopathie, Phosphaturie, endokrine Störungen, progressiver Verlauf, verminderte Aktivität von Atmungskettenenzymen

7 .Erkrankungen im Zusammenhang mit Stoffwechselstörungen von Milchsäure und Brenztraubensäure

7.1. Pyruvat-Carboxylase-Mangel Autosomal-rezessiver Erbgang, Krankheitsbeginn in der Neugeborenenperiode, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, therapieresistente Krämpfe, hohe Konzentrationen von Ketonkörpern im Blut, Hyperammonämie, Hyperlysinämie, verminderte Pyruvat-Carboxylase-Aktivität Skelettmuskeln

7.2. Pyruvat-Dehydrogenase-Mangel

Manifestation in der Neugeborenenperiode, kraniofaziale Dysmorphie, therapieresistente Krämpfe, Atem- und Saugstörungen, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, zerebrale Dysgynesie, schwere Azidose mit hohem Gehalt an Laktat und Pyruvat

7.3. Verminderte Pyruvat-Dehydrogenase-Aktivität

Beginn im ersten Lebensjahr, Mikrozephalie, verzögerte psychomotorische Entwicklung, Ataxie, Muskeldystonie, Choreoathetose, Laktatazidose mit hohem Pyruvatgehalt

7.4.Dihydrolipoyltransacetylase-Mangel

Autosomal-rezessive Vererbung, Ausbruch der Erkrankung in der Neugeborenenperiode, Mikrozephalie, verzögerte psychomotorische Entwicklung, Muskelhypotonie mit anschließender Erhöhung des Muskeltonus, Papillenatrophie, Laktatazidose, verminderte Aktivität der Dihydrolipoyltrans-Acetylase

7.5.Dihydrolipolydehydrogenase-Mangel

Autosomal-rezessive Vererbung, Krankheitsbeginn im ersten Lebensjahr, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, dysmetabolische Krisen mit Erbrechen und Durchfall, verzögerte psychomotorische Entwicklung, Papillenatrophie, Laktatazidose, erhöhte Alaninspiegel in Blutserum, α-Ketoglutarat, verzweigtkettige α-Ketosäuren, verminderte Aktivität der Dihydrolipoyldehydrogenase

8 .Krankheiten, die durch Defekte in der Beta-Oxidation von Fettsäuren verursacht werden

8.1. Mangel an Acetyl-CoA-Dehydrogenase mit langer Kohlenstoffkette

Autosomal-rezessive Vererbung, Krankheitsbeginn in den ersten Lebensmonaten, Stoffwechselkrisen mit Erbrechen und Durchfall, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, Hypoglykämie, Dicarbonsäureurie, verminderte Aktivität der Acetyl-CoA-Dehydrogenase langkettiger Fettsäuren Säuren

8.2. Mangel an Acetyl-CoA-Dehydrogenase mit mittlerer Kohlenstoffkette

Autosomal-rezessive Vererbung, Krankheitsbeginn in der Neugeborenenperiode oder den ersten Lebensmonaten, Stoffwechselkrisen mit Erbrechen und Durchfall,

Muskelschwäche und Hypotonie, es entwickelt sich häufig ein plötzliches Todessyndrom, Hypoglykämie, Dicarbonsäureurie, verminderte Acetyl-CoA-Dehydrogenase-Aktivität von Fettsäuren mit mittlerer Kohlenstoffkette

8.3. Mangel an kurzkettiger Fettsäure-Acetyl-CoA-Dehydrogenase

Autosomal-rezessive Vererbung, unterschiedliches Erkrankungsalter, verminderte Belastungstoleranz, Stoffwechselkrisen mit Erbrechen und Durchfall, Muskelschwäche und Hypotonie, erhöhte Urinausscheidung von Methylbernsteinsäure, Acetyl-CoA-Dehydrogenase kurzkettiger Fettsäuren

8.4.Mehrfacher Mangel an Acetyl-CoA-Dehydrogenasen von Fettsäuren

Neonatale Form: kraniofaziale Dysmorphie, Hirndysgynesie, schwere Hypoglykämie und Azidose, bösartiger Verlauf, verminderte Aktivität aller Acetyl-CoA-Dehydrogenasen von Fettsäuren,

Infantile Form: Symptomkomplex „schlaffes Kind“, Kardiomyopathie, Stoffwechselkrisen, Hypoglykämie und Azidose

8.5. Verminderte Aktivität aller Fettsäure-Acetyl-CoA-Dehydrogenasen

Späte Debütform: periodische Episoden von Muskelschwäche, Stoffwechselkrisen, Hypoglykämie und Azidose sind weniger ausgeprägt, die Intelligenz bleibt erhalten,

9 .Enzymopathien des Krebszyklus

9.1.Fumarase-Mangel

Autosomal-rezessive Vererbung, Ausbruch der Erkrankung im Neugeborenen- oder Neugeborenenalter, Mikrozephalie, generalisierte Muskelschwäche und Hypotonie, Episoden von Lethargie, schnell fortschreitende Enzephalopathie, schlechte Prognose

9.2.Succinat-Dehydrogenase-Mangel

Eine seltene Krankheit, die durch eine fortschreitende Enzephalomyopathie gekennzeichnet ist

9.3. Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Mangel

Autosomal-rezessive Vererbung, Ausbruch der Krankheit bei Neugeborenen, Mikrozephalie, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, Episoden von Lethargie, Laktatazidose, schnell fortschreitender Verlauf, verringerter Gehalt an Enzymen des Krebszyklus im Gewebe

9.4.Syndrome des Mangels an Carnitin und Enzymen seines Stoffwechsels

Carnitin-Palmitoyltransferase-1-Mangel, autosomal-rezessive Vererbung, früher Ausbruch der Krankheit, Episoden von nicht-ketonemischem hypoglykämischem Koma, Hepatomegalie, Hypertriglyceridämie und mäßiger Hyperammonämie, verminderte Carnitin-Palmitoyltransferase-1-Aktivität in Fibroblasten und Leberzellen

9.5.Carnitin-Acylcarnitin-Translokase-Mangel

Früher Krankheitsbeginn, Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen, Symptomkomplex „schlaffes Kind“, Episoden von Lethargie und Koma, erhöhte Konzentrationen von Carnitinestern und langen Kohlenstoffketten vor dem Hintergrund einer Abnahme des freien Carnitins im Blutserum, verminderte Aktivität der Carnitin-Acylcarnitin-Translokase

9.6.Carnitin-Palmitoyltransferase-2-Mangel

Autosomal-rezessive Vererbung, Muskelschwäche, Myalgie, Myoglobinurie, verminderte Aktivität der Carnitin-Palmitoyltransferase-2 in der Skelettmuskulatur

Autosomal-rezessive Vererbung, myopathischer Symptomkomplex, Episoden von Lethargie und Lethargie, Kardiomyopathie, Episoden von Hypoglykämie, verringerte Carnitinspiegel im Serum und erhöhte Urinausscheidung.

Nach der Analyse einer solch „schrecklichen“ Liste von Pathologien, die mit bestimmten Veränderungen in der Funktion des mitochondrialen (und nicht nur) Genoms verbunden sind, stellen sich bestimmte Fragen. Was sind die Produkte mitochondrialer Gene und an welchen überaus lebenswichtigen zellulären Prozessen sind sie beteiligt?

Wie sich herausstellte, können einige der oben genannten Pathologien aufgrund von Störungen in der Synthese von 7 Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase-Komplexes, 2 Untereinheiten der ATP-Synthetase, 3 Untereinheiten der Cytochrom-C-Oxidase und 1 Untereinheit der Ubiquinol-Cytochrom-C-Reduktase (Cytochrom) auftreten b) , das sind die Genprodukte der Mitochondrien. Daraus können wir schließen, dass diese Proteine ​​eine Schlüsselrolle bei den Prozessen der Zellatmung, der Oxidation von Fettsäuren und der ATP-Synthese, dem Elektronentransfer im Elektronentransportsystem der inneren MT-Membran, der Funktion des Antioxidanssystems usw. spielen.

Aufgrund der neuesten Daten zu den Mechanismen der Apoptose sind viele Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass es ein Kontrollzentrum für die Apoptose gibt ...

Die Rolle mitochondrialer Proteine ​​wurde auch bei der Verwendung von Antibiotika gezeigt, die die mitochondriale Synthese blockieren. Wenn menschliche Zellen in Gewebekulturen mit einem Antibiotikum wie Tetracyclin oder Chloramphenicol behandelt werden, stoppt ihr Wachstum nach ein oder zwei Teilungen. Dies ist auf die Hemmung der mitochondrialen Proteinsynthese zurückzuführen, was zum Auftreten defekter Mitochondrien und in der Folge zu einer unzureichenden ATP-Bildung führt. Warum können Antibiotika dann zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden? Auf diese Frage gibt es mehrere Antworten:

1. Einige Antibiotika (wie Erythromycin) passieren die innere Membran der Mitochondrien von Säugetieren nicht.

2. Die meisten Zellen in unserem Körper teilen sich nicht oder nur sehr langsam, daher erfolgt der Ersatz vorhandener Mitochondrien durch neue genauso langsam (in vielen Geweben wird die Hälfte der Mitochondrien in etwa fünf Tagen oder sogar länger ersetzt). Daher wird die Anzahl normaler Mitochondrien nur dann auf ein kritisches Niveau sinken, wenn die Blockade der mitochondrialen Proteinsynthese über viele Tage hinweg aufrechterhalten wird.

3. Bestimmte Bedingungen im Gewebe verhindern, dass bestimmte Medikamente in die Mitochondrien der empfindlichsten Zellen gelangen. Beispielsweise führt eine hohe Ca2+-Konzentration im Knochenmark zur Bildung eines Ca2+-Tetracyclin-Komplexes, der nicht in die sich schnell teilenden (und daher am stärksten gefährdeten) Blutzellvorläufer eindringen kann.

Diese Faktoren ermöglichen den Einsatz einiger Medikamente, die die mitochondriale Proteinsynthese hemmen, als Antibiotika bei der Behandlung höherer Tiere. Nur zwei dieser Medikamente haben Nebenwirkungen: Eine Langzeitbehandlung mit hohen Dosen Chloramphenicol kann zu einer Störung der hämatopoetischen Funktion des Knochenmarks führen (Unterdrückung der Bildung roter und weißer Blutkörperchen), und eine Langzeitbehandlung mit Tetracyclin kann dazu führen das Darmepithel schädigen. In beiden Fällen ist jedoch noch nicht ganz klar, ob diese Nebenwirkungen durch eine Blockade der mitochondrialen Biogenese oder durch einen anderen Grund verursacht werden.

Abschluss

Die strukturellen und funktionellen Merkmale des mt-Genoms sind wie folgt. Erstens wurde festgestellt, dass mtDNA von der Mutter auf alle übertragen wird

Nachkommen und von ihren Töchtern an alle nachfolgenden Generationen, aber Söhne geben ihre DNA nicht weiter (mütterliches Erbe). Mütterlicher Charakter

Die Vererbung der mtDNA hängt wahrscheinlich mit zwei Umständen zusammen: Entweder ist der Anteil der väterlichen mtDNA so gering (sie wird nicht über die väterliche Linie weitergegeben)

mehr als ein DNA-Molekül pro 25.000 mütterlicher mtDNA), dass sie mit bestehenden Methoden nicht nachgewiesen werden können oder dass nach der Befruchtung die Replikation der väterlichen Mitochondrien blockiert wird. Zweitens das Fehlen einer kombinativen Variabilität – mtDNA gehört nur zu einem der Eltern, daher fehlen die für Kern-DNA in der Meiose charakteristischen Rekombinationsereignisse und die Nukleotidsequenz ändert sich von Generation zu Generation nur aufgrund von Mutationen. Drittens hat mtDNA keine Introns

(eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällige Mutation die kodierende Region der DNA beeinflusst), schützende Histone und ein wirksames DNA-Reparatursystem – all dies führt zu einer zehnmal höheren Mutationsrate als in der Kern-DNA. Viertens können normale und mutierte mtDNA gleichzeitig in derselben Zelle existieren – das Phänomen der Heteroplasmie (das Vorhandensein nur normaler oder nur mutierter mtDNA wird Homoplasmie genannt). Schließlich werden beide Ketten in mtDNA transkribiert und übersetzt, und in einer Reihe von Merkmalen unterscheidet sich der genetische Code der mtDNA vom universellen (UGA kodiert Tryptophan, AUA kodiert Methionin, AGA und AGG sind Stopp-

Codons).

Diese Eigenschaften und die oben genannten Funktionen des mt-Genoms haben die Untersuchung der Variabilität der mtDNA-Nukleotidsequenz zu einem unschätzbar wertvollen Werkzeug für Ärzte, Forensiker und Evolutionsbiologen gemacht.

Vertreter der Geschichtswissenschaft bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme.

Seit 1988 entdeckt wurde, dass mtDNA-Genmutationen mitochondrialen Myopathien (J. Y. Holt et al., 1988) und der hereditären Optikusneuropathie Leber (D. C. Wallace, 1988) zugrunde liegen, führte die weitere systematische Identifizierung von Mutationen im menschlichen mt-Genom zur Entstehung von das Konzept der mitochondrialen Erkrankungen (MD). Derzeit wurden pathologische mtDNA-Mutationen in allen Arten von mitochondrialen Genen entdeckt.

Referenzliste

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14. // Soros. Ausbildung Zeitschrift 1998. Nr. 8. S.2-7.

15. // Soros. Ausbildung Zeitschrift 2000. Nr. 1. S.32-36.

Nach ihr benannte Kiewer Nationaluniversität. Taras Schewtschenko

Fachbereich Biologie

Aufsatz

zum Thema:

„Die Rolle des mütterlichen Genoms bei der Entwicklung des Nachwuchses“

MitDortenta IVKurs

Abteilung für Biochemie

Frolova Artema

Kiew 2004

Planen:

Einführung................................................. ................................1

Symbiotische Theorie des Ursprungs der Mitochondrien......2

Die Rolle des Zellkerns in der mitochondrialen Biogenese............................................. ..........5

Mitochondriale Transportsysteme................................................ ................. ......7

Größe und Form mitochondrialer Genome.................................10

Funktionsweise des mitochondrialen Genoms................14

Die Bedeutung eines eigenen genetischen Systems für Mitochondrien................................. ............ ...................................19

Zytoplasmatische Vererbung................................20

Präsentationstranskript

Leber-Syndrom: LHON (1871) Ein mütterlich vererbter Sehverlust tritt bei Menschen im Alter von 20 bis 30 Jahren aufgrund einer Atrophie des Sehnervs und einer Degeneration der Ganglienzellschicht der Netzhaut auf. Die Krankheit ist mit einer mütterlich vererbten Mutation der mitochondrialen DNA verbunden eines der ND-Gene (Komplex I). In 70 % der Fälle handelt es sich um G11778A (ND4) und in Japan in 90 % der Fälle um G3460A (ND1); in 14 % der Fälle T14484C (ND6) Die Mutation liegt in einem homoplasmatischen Zustand vor

634 bp Die DNA-Diagnose des Leber-Syndroms in der N-Familie wurde von uns erstmals im Jahr 2006 durchgeführt. G11778 G11778A Ersatzproband mit Leber-Syndrom, gesunder Schwester, Mutter, Person, Proband

In 80–85 % der Fälle sind Männer betroffen (das X-Chromosom trägt eine Art Sensitivitätsort?). Nur 50 % der Männer und 10 % der Frauen, die Träger pathogener Komplex-I-Mutationen sind, erleiden tatsächlich einen Sehverlust? Am häufigsten treten Mutationen, die zum Leber-Syndrom führen, in der mtDNA-Haplogruppe J auf; Diese Gruppe wird von etwa 15 % der Europäer getragen?? Gibt es weitere Faktoren, die an der Entstehung der Krankheit beteiligt sind (???)

Die häufigste Punktmutation: A3243G in Leucin-tRNA. Kommt bei den meisten Patienten mit MELAS-Syndrom vor, schlaganfallartige Episoden, Myopathie, Laktatazidose, Enzephalopathie. Die Mutation tritt ausschließlich im heteroplasmatischen Zustand auf. In einigen Familien verursacht A3243G überwiegend Kardiomyopathie, in anderen Diabetes und Taubheit, in anderen PEO , viertens - Enzephalopathie???

Wir haben das MELAS-Syndrom im Jahr 2007 getestet. Mutter: eine phänotypisch gesunde Frau von sehr kleiner Statur, ZPR, ZFR. Plötzlich nach einer Verletzung gestorben Mitochondriopathie?? Eine MELAS-Mutation wurde beim Sohn (80 % der mutierten Moleküle im Blut) und bei der Mutter (40 %) entdeckt

RNA (Fortsetzung) Die A8344G-Mutation im Lysin-tRNA-Gen führt bei einem Anteil mutierter Moleküle > 85 % zum MERRF-Syndrom: Myoklonus-Epilepsie; „zerrissene“ rote Muskelfasern; mentale Behinderung; Ataxia; Muskelatrophie usw. Mütter von Patienten sind in der Regel phänotypisch gesund oder haben leichte Symptome. Die Mutation verringert die Effizienz der Translation im Körper stark und führt dadurch zu einem Mangel in der Atmungskette

Die häufigste Mutation des 12S-rRNA-Gens A1555G verursacht nicht-syndromalen Hörverlust aufgrund der Empfindlichkeit von Mutationsträgern gegenüber ototoxischen Aminoglykosiden. Andere Mutationen der 12S- und 16S-Gene verursachen Kardiomyopathie, Ataxie, MELAS, Diabetes mellitus und Schallempfindungsschwerhörigkeit

NARP (Neuropathie-Ataxie und Retinitis pigmentosa) Mutation im ATPase6-Gen – Transversion T – G bei Nukleotid 8993 (70–90 % der mutierten DNA) T8993G: Leucin wird in ATPase6 durch Arginin ersetzt, was zu einer beeinträchtigten ATP-Synthese führt mtDNA beträgt mehr als 90 %, klinische Manifestationen werden früher beobachtet und die Symptome sind schwerwiegender: subakute nekrotisierende Enzephalopathie mit Merkmalen des Leigh-Syndroms (LS)

Neurodegenerative Erkrankung: – symmetrische nekrotische Läsionen in den subkortikalen Bereichen des Zentralnervensystems – Basalganglien, Thalamus, Hirnstamm, Rückenmark; - Demyelinisierung, Gefäßproliferation und „Gliose“; - motorische und geistige Regression, Ataxie, Dystonie, abnormale Atmung. Die Krankheit beginnt in der frühen Kindheit, selten im Erwachsenenalter; Der Tod tritt in der Regel zwei Jahre nach Ausbruch der Krankheit ein

DNA (MILS) 7/10 Fälle – rezessive Mutationen von nuklearen autosomalen Genen, die Untereinheiten der Atmungskette oder an deren Aufbau beteiligte Proteine ​​kodieren. ATPase 6 LS 1/10 Fälle – Mutationen des X-Chromosoms PDHC

Die Ursache ist eine große Löschung von 5 kb. 5 tRNA-Gene und 5 Protein-Gene gehen verloren. KSS – eine tödliche Multisystempathologie, die sich im Alter von 4–18 Jahren manifestiert: CPEO, Retinitis pigmentosa, Ataxie, Taubheit, endokrine Dysfunktion, atrioventrikulärer Herzblock, erhöhte Proteinspiegel in der Liquor cerebrospinalis über 100 mg/dl, „zerlumpte“ Fasern in der Skelettmuskulatur. Die Deletion wird nicht vererbt

2 Syndrome: Pearson-Syndrom – PS Hypoplastische Anämie, beeinträchtigte exokrine Funktion der Bauchspeicheldrüse PEO-Syndrom – Progressive äußere Ophthalmoplegie Alle drei Syndrome treten sporadisch auf und entstehen in Abhängigkeit von der Segregation mutierter mtDNA mit Anreicherung in verschiedenen Geweben

P.n. Anstelle des tödlichen KSS kann PEO beobachtet werden. Progressive äußere Ophthalmoplegie, Ptosis. Die Pathologie ist mit einer Lähmung der äußeren Extraokularmuskeln verbunden. Der Prozentsatz mutierter Moleküle ist in diesem Fall geringer als beim KSS-Syndrom, das Syndrom ist nicht mit einer Bedrohung für die Augenmuskulatur verbunden Leben des Patienten Biochemisch werden in den Muskeln Defekte bei Enzymen der Atmungskette gefunden, insbesondere bei der Cytochromoxidase

Depletion -MDS 1 - 30 % der normalen mtDNA-Menge verbleiben in den Zellen. Das Syndrom manifestiert sich in den ersten Wochen nach der Geburt: tödliche Hepatopathie; Myopathie mit generalisierter Hypotonie; Kardiomyopathie mit Anfällen (De-Toni-Debreu-Fanconi-Syndrom); Atrophie der proximalen Muskelgruppen; Verlust der Sehnenreflexe. Der Tod tritt in schweren Fällen bereits im ersten Lebensjahr ein

Gene der Atmungskette LHON LHON+Dystonie Sporadische Myopathie Sporadische Myopathie Enzephalomyopathie Sporadische Myopathie NARP MILS FBSN M I Ley-Syndrom Leukodystrophie Ley-Syndrom Kardioenzephalopathie Leukodystrophie/Tubulopathie Ley-Syndrom Paragangliom

Mitochondriale Anomalie? Wenn die Symptome klar sind, entnehmen Sie Blut aus einer Vene und führen Sie einen PCR-Test auf Punktmutationen oder Deletionen durch. Wenn das Ergebnis des Bluttests negativ ist, bedeutet dies nicht, dass keine Krankheit vorliegt (Heteroplasmie!). Biopsie: ein Muskel- oder Hauttest bei Erwachsenen bei Kindern. Für nicht-invasive Tests verwenden sie Urinsediment, Abkratzen der Innenseite der Wange, seltener Haarfollikel

Mitochondriale Anomalie? (2) Frische Muskeln werden histologisch und histochemisch analysiert. Die Aktivität einzelner Glieder der Atmungskettenkomplexe wird durch Anfärben auf Succinat-Dehydrogenase-Aktivität oder mithilfe der Gomori-„Trichrome-Färbung“ von frischen Muskeln ermittelt Wenn ein Defekt in einem Glied festgestellt wird, deutet dies auf eine Mutation der entsprechenden Untereinheit (i oder m) hin. Wenn es mehrere Defekte gibt, ist ein Defekt in der mt-tRNA oder in Kerngenen möglich, die an der Funktion der Mitochondrien beteiligt sind

Mitochondriale Anomalie? (3) Manchmal manifestiert sich der Defekt während des Trainings (NARP-Syndrom aufgrund einer Mutation des ATPase6-Gens) – klinische Tests sind erforderlich: körperliche Betätigung mit Laktatmessungen, Magnetresonanz- oder Infrarotspektroskopie, schließlich bei noch nicht beschriebenen, selten Bei „privaten“ Mutationen wird eine direkte mtDNA-Sequenzierung durchgeführt

Erkrankungen, die verschiedene Organe betreffen und gleichzeitiges Auftreten scheinbar nicht zusammenhängender Anomalien. Äußere Ophthalmoplegie mit Herzmuskelleitungsstörungen und Kleinhirnataxie. Migräne mit Muskelschwäche. Enzephalomyopathie mit Diabetes. Übelkeit, Erbrechen mit optischer Atrophie und Kardiomyopathie. Diabetes mit Taubheit. Taubheit mit äußerer Ophthalmoplegie, Ptosis und Retinopathie. Kleinwuchs mit Myopathie und schlaganfallähnlichen Episoden Exokrine Pankreasfunktionsstörung mit sideroblastischer Anämie Entwicklungsverzögerung oder Fähigkeitsverlust und Ophthalmoplegie, Ophthalmoparese

Mitochondriale Erkrankungen? Die Häufigkeit mitochondrialer Enzephalopathien wird mit ca. 1:11.000 ermittelt. Die Gesamthäufigkeit mitochondrialer Erkrankungen liegt bei 1:8.000. Das Manifestationsalter mitochondrialer Erkrankungen variiert stark ~ 50 % nach 5 Jahren ~ 50 % vor 5 Jahren. Die Mortalität aufgrund mitochondrialer Erkrankungen liegt bei 5 -20 % pro Jahr ab dem Datum der Manifestation

Mitochondriopathie, nach Infektionskrankheiten kann sich sein Zustand auch durch Stress, Fasten, Unterkühlung und die Einnahme von Beruhigungsmitteln mit Vorsicht verschlimmern!

Krankheiten – wie realistisch ist das? Pharmakologischer Ansatz Vitamine, Cofaktoren, Fänger freier Radikale – um Schäden an der Atmungskette zu verhindern. Das erfolgreichste Beispiel ist Dichloracetat, das zur Reduzierung der Laktatazidose bei Patienten mit MELAS eingesetzt wird. Der Erfolg ist teilweise und vorübergehend, häufiger ist die Therapie unwirksam

Krankheiten (2) Ein weiterer Ansatz besteht darin, das Verhältnis von mutierter zu normaler mtDNA zu verringern. Erhöhen Sie die Anzahl nicht mutierter Moleküle durch „Genverschiebung“. Normalerweise vermehren sich Satellitenzellen und verschmelzen mit Skelettmyofibrillen als Reaktion auf Stress oder körperliche Betätigung. Einige Patienten mit Myopathie haben einen geringeren Prozentsatz mutierter mtDNA in Satellitenzellen als im Skelettmuskel. Der Anteil normaler mtDNA-Moleküle im Muskel nahm zu, der Defekt wurde korrigiert. Die Proliferation von Satellitenzellen in Skelettmuskeln wird induziert

Krankheiten (3) II. Reduzierung der Anzahl mutierter mtDNA-Moleküle Entwicklung synthetischer Moleküle, die selektiv an mutierte DNA binden und deren Replikation blockieren Einführung eines Restriktionsenzyms in Mitochondrien, das mutierte DNA selektiv zerstört Erfolge wurden bisher nur in vitro erzielt

Krankheiten (4) „Molekulare intrazelluläre Rekonstruktion“ Import normaler tRNAs aus dem Zytoplasma anstelle defekter mitochondrialer Ersatz des defekten Atmungskomplexes. Ketten zu einem normalen, von einem anderen Organismus (Hefe) erhaltenen Zellkern. Transplantation des Eizellkerns vom mutierten Zytoplasma in das normale. Alle diese Ansätze befinden sich im Stadium der experimentellen Entwicklung

Krankheiten – wie realistisch ist das? Heutzutage ist es unmöglich, mitochondriale Erkrankungen zu heilen. Es werden folgende symptomatische Behandlungen eingesetzt: physikalische Physiotherapie, Aerobic-Gymnastik, mäßige und leichte körperliche Betätigung, Antiepileptika, Hormone, Vitamine, Metaboliten, Cofaktoren, pharmakologische Blepharoplastik, Cohlear-Implantation, Herz-, Nieren- und Lebertransplantation, subkutane endoskopische Gastrotomie, krikopharyngeale Myotomie Chirurgisch

Mitochondriale Erkrankungen oder verschlimmern ihren Verlauf. Valproat: erhöht die Anfallshäufigkeit bei MELAS, hepatotoxisches Aspirin, Phenobarbital. Kortikosteroide Tetracyclin, Chloramphenicol. Aminoglykoside Streptomycin, Gentamicin, Amikacin, Neomycin, Kanamycin – ototoxisch. Ethambutol (provoziert die Manifestation von LHON). MELAS) Antiretrovirale Medikamente: AZT – Zidovudin, Doxorubicin verursachen mtDNA-Depletion Die Liste ist bei weitem nicht vollständig!

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Mitochondriale Genetik

1. Formale Genetik von Mitochondrien

Im Gegensatz zu Plastiden kommen Mitochondrien in allen Eukaryoten vor: Pflanzen, Tieren und Pilzen. Mitochondrien erfüllen in allen drei Reichen die gleiche Funktion und ihre Struktur ist im Allgemeinen ähnlich. Mitochondrien sind runde Strukturen mit einer Größe von 1 Mikrometer (Abb. 1).

Reis. 1 Elektronenmikroskopische Aufnahme von Blattmesophyll-Mitochondrien

In einigen Fällen können Mitochondrien jedoch zu einer ziemlich langen röhrenförmigen, gebogenen Struktur kombiniert werden. Der innere Inhalt der Mitochondrien wird als Matrix bezeichnet. Die Matrix enthält dünne Fibrillen und Körnchen. Es wurde festgestellt, dass es sich bei den Granula um mitochondriale Ribosomen handelt, die sich in Größe und Dichte von den Ribosomen des Zytoplasmas unterscheiden. Mitochondrien sind wie andere Organellen von einer äußeren Doppelmembran umgeben. Die äußere Membran der Mitochondrien ähnelt der äußeren Membran der Plastiden, dem Zellkern und der Membran des endoplasmatischen Retikulums. Die innere Membran der Mitochondrien bildet Einstülpungen – Cristae. Auf der Oberfläche der inneren Membran befinden sich alle wichtigen Enzymensembles, die die Funktionen der Mitochondrien erfüllen. Es gibt Methoden zur Trennung der inneren und äußeren Membranen von Mitochondrien. Da die äußere Membran der Mitochondrien weniger dicht ist und in einer Phosphatlösung irreversibel aufquillt, führt dies zu ihrem Bruch und ihrer Trennung von der inneren Membran. Nach der Behandlung isolierter Mitochondrien mit Phosphat können die äußere und innere Membran dieser Organellen durch Zentrifugation getrennt werden. Wenn man sie mit einem Elektronenmikroskop betrachtet, sehen sie aus wie transparente Hohlkugeln, und das Volumen der von der inneren Membran gebildeten Kugel ist viel größer als das Volumen der Kugel der äußeren Membran. Daher kann man sich die volumetrische Struktur der Mitochondrien leicht als eine große Kugel vorstellen, die in einer kleinen Kugel untergebracht ist. In diesem Fall bilden sich in der Nähe der Innenmembran zahlreiche Falten, sogenannte Cristae. Die Aktivität der in Mitochondrien ablaufenden Prozesse steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl und Größe der Cristae. Je größer die Oberfläche der Cristae und damit die Oberfläche der inneren Membran ist, desto aktiver sind diese Prozesse. Folglich verändert sich die Größe der Innenmembran der Mitochondrien je nach Funktionszustand der Organellen.

Innere und äußere Membranen unterscheiden sich in der Dichte (die innere ist dichter), in der Permeabilität (die innere hat eine hochspezifische Permeabilität, die äußere hat eine unspezifische Permeabilität), unterschiedliche Enzymzusammensetzungen und unterschiedliche Verhältnisse von Proteinen zu Lipiden.

Die innere Membran der Mitochondrien ist in ihrer Struktur einzigartig. Es enthält mehrkomponentige Protein-Enzym-Komplexe, die den Elektronentransfer, die oxidative Phospholation und die Fettsäurekettensynthese durchführen, sowie Proteine, die den Transfer kleiner Moleküle in die innere Höhle der Mitochondrien regulieren.

Mitochondrien entstehen wie Plastiden nie „de novo“. Sogar Organismen, die unter anaeroben Bedingungen leben, haben mitochondrienähnliche Strukturen. Wenn beispielsweise derselbe Hefestamm unter aeroben und anaeroben Bedingungen gezüchtet wird, ändert sich in Zellen, die unter anaeroben Bedingungen gezüchtet werden, die Größe der Mitochondrien, ihre Anzahl nimmt jedoch nicht ab.

Die Teilung der Mitochondrien erfolgt, ebenso wie bei den Plastiden, durch Amitose mit Bildung hantelförmiger Figuren und deren anschließender Ligation.

In einigen Fällen konnte in einigen biologischen Objekten die Synchronizität der mitochondrialen Teilung mit dem Zellkern und ihre ziemlich genaue Verteilung auf die Tochterzellen nachgewiesen werden. So zeigt sich bei Ciliaten eine vollständige Synchronität der mitochondrialen Teilung zusammen mit dem Zellkern. Bei sich mitotisch teilenden Pflanzenzellen und sich teilenden Spulwurm-Spermatozyten konnte gezeigt werden, dass Mitochondrien recht präzise entlang der Spindel verteilt sind.

Historisch gesehen wurde fast die gesamte formale mitochondriale Genetik an Pilzen und vor allem an Hefen untersucht. Bei anderen Organismen gibt es nur vereinzelte Hinweise auf einen Zusammenhang bestimmter Merkmale mit Mitochondrien. Der Lebenszyklus von Hefe ist in der Abbildung dargestellt

Reis. 2 Lebenszyklus Saccharomyces Cerevisien

Hefe ist ein einzelliger, aber mehrkerniger Organismus. Sie verbringen einen erheblichen Teil ihres Lebens in der Haplophase und daher sind ihre Kerne haploid. Haploide Klone mit unterschiedlichen Geschlechtsfaktoren (oder Arten der Kreuzung), A Und A, können miteinander verschmelzen. Haploide Klone mit den gleichen Kreuzungstypen können nicht an der Befruchtung teilnehmen. Nach der Befruchtung verschmelzen die Kerne und es entstehen diploide Klone. Bei diploiden Klonen kommt es zu Sporulation und Meiose, es entsteht ein Ascus, wodurch haploide Klone zweier gegensätzlicher Kreuzungstypen entstehen A Und A in gleichen Anteilen. Natürlich werden einfache Mendelsche Gene auf die gleiche Weise gespalten wie das Gen, das den Sexualfaktor steuert, d. h. ergibt eine 1:1-Aufteilung.

Hefe in der zygotischen Phase ist heterozygot und kann sich auf zwei Arten vermehren: vegetativ und generativ. Während der vegetativen Vermehrung teilen sie sich einfach und mehrere diploide Kerne dringen in die resultierenden Zellen ein. Darüber hinaus kann eine vegetative Vermehrung auch durch Austrieb erfolgen. In den gebildeten Knospen sind die Kerne ebenfalls diploid. Bei der vegetativen Fortpflanzung findet naturgemäß keine Spaltung der Kerngene statt – Heterozygoten bleiben Heterozygoten.

Bei der generativen Reproduktion kommt es zur Meiose und zur Bildung von Zellen mit haploiden Kernen, sogenannten Ascosporen. Ascosporen sind haploid und teilen sich in eine gleiche Anzahl von Ascosporen mit dominanten und rezessiven Allelen, d. h. 1:1.

Wenn also keine 1:1-Trennung beobachtet wird, könnte dies für uns ein Hinweis darauf sein, dass diese Gene möglicherweise nicht-Mendelsch und daher möglicherweise zytoplasmatisch sind.

Die Existenz einer extranukleären Mutante in Hefe wurde erstmals 1949 vom französischen Forscher B. Effrussi nachgewiesen. Diese Mutanten wiesen Atemdefekte und schlechtes Wachstum auf. Sie enthielten einige Cytochrome nicht. Solche Mutanten konnten unter dem Einfluss von Acridinfarbstoffen in großen Mengen (manchmal bis zu 100 %) gewonnen werden. Sie können aber auch spontan mit einer Häufigkeit von bis zu 1 % auftreten. Diese Mutanten heißen „ zierlich„, vom französischen Wort für „klein“.

Bei der Kreuzung dieser Mutanten mit normalen Stämmen waren ausnahmslos alle Nachkommen normal. Bei anderen genetischen Markern, wie dem Bedarf an Adenin und Thiamin, war die Aufteilung in geschlechtsspezifische Faktoren jedoch normal – 1:1.

Wenn man Zellen der ersten Generation von Hybriden zufällig auswählt und sie erneut mit Mutanten kreuzt zierlich Alle Nachkommen waren wieder normal, obwohl manchmal seltene mutierte Nachkommen mit einer Häufigkeit von weniger als 1 % auftraten. Diese. sie traten fast mit der gleichen Häufigkeit auf wie das spontane Auftauchen dieser Mutanten. Es war möglich, diese Hybriden erneut zu selektieren und mit normalen Hybriden mit dem gleichen Ergebnis zu kreuzen. Wenn wir davon ausgehen, dass es sich um Mutationen von Kerngenen handelt, könnte dies als Ergebnis einer Aufspaltung an 20 unabhängigen Orten dargestellt werden. Die Entstehung eines Mutanten mit gleichzeitiger Mutation in 20 Genorten ist ein nahezu unglaubliches Ereignis.

R. Wright und D. Lederberg erhielten überzeugende Beweise dafür, dass diese Mutanten nicht nuklear sind. Der Aufbau ihres Experiments war wie folgt. Wenn Hefezellen verschmelzen, verschmelzen die Kerne nicht sofort, und in diesem Moment können Knospen abgelagert werden, die noch haploide Kerne sowohl des einen als auch des anderen Elternteils enthalten. Solche haploiden Knospen diploidieren spontan (A -> AA; a -> aa). Wenn ein Stamm beispielsweise eine Mutation aufweist zierlich gekennzeichnet durch die Unfähigkeit, mit Arginin zu wachsen, und das zweite nicht zierlich, durch die Unfähigkeit gekennzeichnet ist, auf Tryptophan zu wachsen, dann wählen wir durch die Auswahl von Knospen aus solchen Hybriden Elternstämme basierend auf Kerngenen aus. Was passiert mit den zytoplasmatischen? Als Ergebnis des Experiments von R. Wright und D. Lederberg wurde Folgendes offenbart. Von 91 Klonen wurden 6 Klone gefunden, die den gleichen Kern wie Nicht-Klone hatten. zierlich mutiert, aber der Phänotyp ist typisch zierlich. Folglich wird dieser Phänotyp nicht durch den Zellkern, sondern unabhängig davon bestimmt, und diese Mutation könnte als nicht-nuklear bezeichnet werden.

Später wurden nukleare Mutationen entdeckt zierlich. Insgesamt wurden etwa 20 solcher Mutanten entdeckt, die alle normal mendelisierten und die Nachkommen der Ascosporen eine normale 2:2-Spaltung zeigten, obwohl sie phänotypisch den zytoplasmatischen Mutanten sehr ähnlich waren. Beim Überqueren des Zytoplasmas zierlich Bei nuklearen Zygoten wurde festgestellt, dass Zygoten die Fähigkeit erwerben, normal zu atmen, und es dann zu einer Spaltung kommt 2: Somit bewies der Komplementationstest, dass es sich um Mutanten unterschiedlicher Lokalisierung handelt. Die Entdeckung nuklearer und zytoplasmatischer Mutanten mit beeinträchtigter Mitochondrienfunktion zeigte auch, dass nicht alle Funktionen dieser Organellen durch zytoplasmatische Gene kodiert werden. Einige von ihnen kodieren nukleare Gene.

Anschließend entdeckte B. Effrussi einen weiteren ähnlichen Phänotyp wie zierlich, aber die Vererbung dieser Mutation erfolgte auf andere Weise. Bei der Kreuzung von Mutanten zierlich Bei normalen Zellen erlangten alle Nachkommen die Eigenschaft, langsam zu wachsen, und die Aufteilung betrug 0:4. Der erste Typ von zytoplasmatischen Mutanten, der nur normale Nachkommen hervorbrachte, wurde daher als neutral bezeichnet, und der zweite Typ, der nur mutierte Nachkommen hervorbrachte, wurde als supprimierend oder dominant bezeichnet. zierlich. Unterdrückung ist in diesem Fall eine Art Dominanz. Dies ist jedoch eine besondere Art von Dominanz, wenn das rezessive Allel nicht nur im Heterozygoten verborgen ist, sondern einfach vollständig verschwindet. Zahlreiche Experimente haben gezeigt, dass unterdrückende Mutanten zierlich sind auch zytoplasmatisch, da die Faktoren, die ihr Auftreten verursachen, nicht zusammen mit dem Zellkern vererbt werden.

Nachfolgende molekulare Studien zeigten, dass supprimierende Mutanten zierlich Im Gegensatz zu neutralen haben sie kürzere mitochondriale DNA-Moleküle, die fast ausschließlich aus AT-Paaren bestehen. Höchstwahrscheinlich beruht die unterdrückende Wirkung auf der schnelleren Proliferation dieser mitochondrialen DNA und der daraus resultierenden Verdrängung normaler mitochondrialer DNA.

So handelt es sich bei zytoplasmatischen Mutanten des Typs zierlich Es gibt entweder relativ kleine Deletionen in der mitochondrialen DNA (neutrale Mutanten). zierlich) oder vollständige Umlagerungen des mitochondrialen Genoms (suppressive Mutanten). zierlich).

Darüber hinaus wurden Mutanten mit unvollständiger Unterdrückung entdeckt, d. h. die Fähigkeit, einen bestimmten Prozentsatz an Individuen des normalen Typs zu produzieren – 10, 20, 30 und sogar etwa 50 Prozent.

Es stellte sich heraus, dass der Grad der Unterdrückung von den Einflüssen der äußeren Umgebung – Temperatur, Untergrund usw. – abhängt. Kernmutanten zeigten keine solche Abhängigkeit, was die Unterscheidung unvollständig supprimierender Zytoplasmen ermöglichte zierlich aus der Atomkraft.

Nachdem Daten zu zytoplasmatischen Antibiotikaresistenzmutanten bei Chlamydomonas erhalten wurden, begann man, Antibiotikaresistenzmutationen in Hefen zu erhalten. Es stellte sich heraus, dass eine Reihe solcher Mutanten auch zytoplasmatisch waren. Bei der Kreuzung beispielsweise von Erythromycin-empfindlichen mit Erythromycin-resistenten NotaufnahmenXIrren, Alle Nachkommen waren Erythromycin-empfindlich Ers(d. h. das gleiche wie beim Wildtyp) und es kam zu keiner Spaltung. Das gleiche Ergebnis wurde bei Resistenzmutanten gegen andere Antibiotika gezeigt. Wenn jedoch die Knospen unmittelbar nach der Bildung der Zygote ausgewählt werden, können unter ihnen mutierte Phänotypen gefunden werden.

Bei der Dihybridkreuzung, d.h. bei der Kreuzung zweier zytoplasmatischer Mutanten, die gegenüber verschiedenen Antibiotika empfindlich sind, beispielsweise resistent gegenüber Chloramphenicol, aber empfindlich gegenüber Erythromycin, mit empfindlich gegenüber Chloramphenicol, aber resistent gegenüber Erythromycin CrERsXCsERr, der Phänotyp nur eines Elternteils überwiegte bei den Nachkommen - CrERs. Gleichzeitig wurden bei der Selektion aus den Knospen unmittelbar nach der Befruchtung nicht nur Elternklassen von Phänotypen entdeckt, sondern auch Rekombinanten: CrERrUndCsERs, diese. empfindlich oder resistent gegen beide Antibiotika. Das Vorhandensein von Rekombinanten zeigte erstmals, dass mitochondriale Gene auf die gleiche Weise wie nukleare Gene rekombinieren können. Gleichzeitig wurde im Gegensatz zu Experimenten zur Rekombination von Plastidengenen bei Chlamydomonas die Rekombinationspolarität in Hefe entdeckt, d. h. ungleiche Anzahl rekombinanter Phänotypen je nach Kreuzungsrichtung. Die Rekombinationspolarität wurde als das Vorhandensein eines speziellen genetischen Geschlechtsfaktors im mitochondrialen Genom erklärt. Dieser Faktor wurde mit u+ und u- bezeichnet. Die Stammform mit dem Faktor u+, d.h. Der weibliche Elternteil sorgt für eine bevorzugte Übertragung (höhere Übertragungsfrequenz) seiner Marker. Bei der Kreuzung gleichgeschlechtlicher Eltern für diesen mitochondrialen Faktor wird keine Rekombinationspolarität beobachtet und es wird eine gleiche Anzahl an Rekombinanten erhalten. Der Geschlechtsfaktor der Mitochondrien selbst wird unabhängig vom Geschlecht des Organismus vererbt.

Haben zytoplasmatische Organellen – Mitochondrien im allgemein akzeptierten Sinne – in Wirklichkeit Sex? Wir können davon ausgehen, dass es existiert, wenn wir glauben, dass E. coli es besitzt.

Aber die Hauptsache war, dass mit Hilfe der vielen erhaltenen Mutationen und dem Nachweis der Rekombination mitochondrialer Gene ihre Kartierung möglich wurde.

In Experimenten zur Kreuzung von Mutationen wie zierlich Bei Antibiotikaresistenzmutationen wurde festgestellt, dass zumindest alle unterdrückenden Mutationen vorliegen zierlich Bei Kreuzungen gehen Antibiotikaresistenzgene verloren. Es hat sich gezeigt, dass dies aufgrund der Unterdrückung geschieht zierlich weisen umfangreiche Schädigungen der mitochondrialen DNA auf, und in diesem Fall ist eine Rekombination einfach nicht zu erwarten. Als bei Mutanten mit Resistenz gegen bestimmte Antibiotika Mutationen des Atemversagens induziert wurden, stellte sich heraus, dass manchmal Resistenzmarker verloren gingen. Bei der Herstellung von Mutanten mit respiratorischer Insuffizienz unter Verwendung von Mutanten mit doppelter Resistenz gegen Antibiotika als Ausgangsform können die resultierenden respiratorischen Mutanten beide Resistenzmarker oder nur einen von ihnen verlieren. Dies deutete darauf hin, dass die Mutanten mit Atemversagen einen gewissen Grad an Deletion der mitochondrialen DNA darstellten und daher auch zur Kartierung des mitochondrialen Genoms verwendet werden könnten.

In Neurospora entdeckte K. Mitchell 1952 den ersten langsam wachsenden Mutanten, der später benannt wurde MI-1 (Abkürzung für englisch „maternal inheritance“ – mütterlicherseits Nachlass). Die Vererbung dieser Mutation erfolgte abhängig von der Kreuzungsrichtung, und alle Nachkommen waren im Phänotyp der gleiche wie die mütterliche Form. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die männlichen Gameten in Neurospora während der Befruchtung kein Zytoplasma beitragen. Auf den Zusammenhang dieser spontan auftretenden Mutation mit Mitochondrien deuteten nicht nur die mütterliche Vererbung und Unterschiede bei reziproken Kreuzungen hin, sondern auch die Tatsache, dass ihnen Cytochrome fehlten A Und B im Elektronentransfersystem.

Anschließend wurden andere langsam wachsende Neurospora-Stämme gewonnen, die mit mitochondrialem Atemversagen assoziiert sind. Einige von ihnen sind beispielsweise Mutanten MI-3 Und MI-4, Wie sich herausstellte, wurden sie auf die gleiche Weise vererbt wie der Mutant MI-1, während der andere Teil beispielsweise Mutanten sind S115 Und S117 zeigte eine normale Mendelsche Monohybrid-Vererbung. Dies erinnert an andere ähnliche Fälle, in denen sich der Phänotyp von Organellen, Chloroplasten und Mitochondrien ändert, wenn sowohl nukleare als auch zytoplasmatische Mutationen auftreten, was darauf hindeutet, dass sowohl zytoplasmatische als auch nukleare genetische Systeme ihre Funktionen gemeinsam steuern.

Anschließend wurden mehrere Suppressorgene entdeckt, deren Einführung die Wachstumsrate bei langsam wachsenden Mutanten wiederherstellte. Es ist interessant festzustellen, dass jeder dieser Suppressoren die Wachstumsrate nur bei einem der Mutanten wiederherstellte. Zum Beispiel ein Suppressor-Gen namens F stellte die Wachstumsrate des zytoplasmatischen Mutanten wieder her MI-1, aber nicht in der anderen zytoplasmatischen Mutante MI-3 oder MI-4, und nicht bei Atommutanten S115 Und S117. Andere Unterdrücker verhielten sich ähnlich. Wenn nach vielen Generationen Suppressorgene durch Kreuzung aus Pilzen entfernt werden, tritt wieder der mutierte zytoplasmatische Phänotyp auf. Eine ähnliche Interaktion von nuklearen und zytoplasmatischen Genen kann bei höheren Pflanzen beobachtet werden, beispielsweise bei der Vererbung des Merkmals der männlichen Sterilität bei vielen Pflanzen.

Bei der Kreuzung von nuklearen und zytoplasmatischen langsam wachsenden Mutanten untereinander wurde eine unabhängige Vererbung nuklearer und zytoplasmatischer Gene gezeigt.

Zum Beispiel beim Kreuzen des Wildtyps x (MI-1 xS115) Nachkommen F 1 (MI-1 xS115) war phänotypisch homogen – alle Individuen wuchsen langsam und die Nachkommen von Rückkehr- oder Testkreuzungen waren Wildtyp x (MI-1 xS115) enthielt keine Mutationen mehr MI-1 und entlang des Kerngens gespalten S-115 im Verhältnis 1:1.

Die Kreuzung zytoplasmatischer Mutanten untereinander brachte keine neuen Ergebnisse, da zytoplasmatische Mutanten, zumindest bei Neurospora, bei der sexuellen Fortpflanzung eine rein mütterliche Vererbung aufweisen. Unterdessen konnten bei verschiedenen zytoplasmatischen Mutanten, obwohl sie im Prinzip den gleichen Phänotyp – langsames Wachstum – aufwiesen, dennoch phänotypische Unterschiede zwischen ihnen festgestellt werden, da sie unterschiedliche Grade langsamen Wachstums aufwiesen. Die strikte mütterliche Vererbung während der sexuellen Fortpflanzung erlaubte jedoch nicht die Kombination zweier zytoplasmatischer Mutationen zu einem Zytoget (zytoplasmatische Heterozygote), was die Rekombination zytoplasmatischer Gene und damit deren Kartierung unmöglich machte.

Ein Ausweg aus dieser Situation wurde durch die Fusion von Neurospora-Hyphen gefunden, die es ermöglichte, verschiedene nukleare und nichtnukleare Genome in einer Zelle zu vereinen.

Bei der Erstellung verschiedener Zytogets wurden folgende Ergebnisse erzielt:

MI-1 / Wildtyp – alle Nachkommen sind nur Wildtyp;

MI-3 / Wildtyp – ein Teil der Nachkommen des Wildtyps, und der andere Teil wächst mit der für den Mutanten charakteristischen Geschwindigkeit MI-3;

MI-1 / MI-Z– die meisten Nachkommen mit diesem Phänotyp MI-3 und ein kleiner Teil der Nachkommen mit diesem Phänotyp MI-1;

MI-1 / MI-4 – zunächst ein Wildtyp-Phänotyp, der dann in Phänotypen aufgespalten wird MI-1 Und MI-4.

Im letzteren Fall wurde somit eine Komplementierung zytoplasmatischer Mutationen festgestellt, was darauf hindeutet, dass diese Mutationen in verschiedenen Regionen des mitochondrialen Genoms auftraten.

Anschließend wurden weitere zytoplasmatische Mutationen von Neurospora erhalten. Die Methode der Hyphenfusion und der Produktion von Zytogeten ließ auf die Produktion verschiedener Rekombinanten und die anschließende Erstellung einer genetischen Karte von Neurospora hoffen. Dies wurde jedoch dadurch verhindert, dass Neurospora nicht eine große Vielfalt an zytoplasmatischen Mutationen wie bei Chlamydomonas oder Hefe hervorbrachte.

Anschließend wurden verschiedene nicht-chromosomale Mutationen aus Neurospora mit molekularbiologischen Methoden untersucht und konnten mit dem mitochondrialen Genom in Zusammenhang gebracht werden.

Bei einem anderen Podosporenpilz wurde eine Mutation entdeckt, die das Phänomen der vorzeitigen Alterung verursacht. Bei Mutanten nahm die Lebensfähigkeit der Kultur nach der erneuten Aussaat allmählich ab. Mit reziproken Kreuzungen wurde die mütterliche Vererbung des Alterungsphänomens geklärt. Allerdings war die mütterliche Vererbung unvollständig. Das Merkmal wird sowohl sexuell als auch durch verbindende Myzelien übertragen. Das Vorhandensein einer Spaltung, wenn auch unregelmäßig, weist auf die korpuskuläre Natur der Vererbung des Merkmals hin. Es wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um zu zeigen, dass es sich hierbei nicht um einen Infektionserreger, sondern um ein mitochondriales Gen handelt. Obwohl derzeit keine vollständigen molekularen Daten verfügbar sind, ist bereits klar, dass es sich auch hier um Mutationen des mitochondrialen Genoms handelt. Das Vorhandensein des Alterungsgens im mitochondrialen Genom hat zu vielen Spekulationen über gerontologische Themen geführt, und einige Ärzte glauben, dass das Altern beim Menschen nicht nur mit Veränderungen in der Funktion der Mitochondrien, sondern auch mit Veränderungen in ihrem Genom verbunden ist.

Trotz des spekulativen Charakters der Idee eines Zusammenhangs zwischen gerontologischen Prozessen beim Menschen und Veränderungen in der mitochondrialen DNA bestätigen neue Daten zur Untersuchung der Variabilität im menschlichen mitochondrialen Genom dies.

Seit der Antike sind beim Menschen eine recht große Anzahl von Krankheiten bekannt, die entlang der mütterlichen Linie – von der Mutter an alle Nachkommen – vererbt werden. Diese Krankheiten sind recht selten, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass sie nur vom weiblichen Geschlecht übertragen werden. Darüber hinaus führen große Deletionsveränderungen in der mitochondrialen DNA natürlich meist entweder zum Tod in der Embryonalperiode oder zu einer Beeinträchtigung der Fortpflanzungsfunktionen. Auf jeden Fall werden sie durch die natürliche Selektion effektiv beiseite gefegt.

Der formalgenetische Ansatz, der recht gut auf die Untersuchung zytoplasmatischer Gene in Modellobjekten (Chlamydomonas, Hefe usw.) angewendet wurde, war für die Analyse zytoplasmatisch vererbter Merkmale beim Menschen nicht so erfolgreich und daher der größte, den man lernen konnte Aus der Analyse der Stammbäume ging hervor, dass solche Erbkrankheiten immer noch existieren.

Neben dem bekannten Syndrom der Sehnervenatrophie (Morbus Leber oder hereditäre Optikusneuropathie) gibt es weitere Erkrankungen, die extranukleär vererbt werden. Diese Krankheiten sind vor allem mit Funktionsstörungen der Muskeln, des Gehirns, des Herzens und des endokrinen Systems verbunden und gehen mit einer unzureichend aktiven Mitochondrienfunktion in bestimmten Organen einher. Es gibt sogar eine mitochondrial vermittelte Form von Diabetes.

Nur mit Hilfe molekularer Methoden war es möglich, die Natur dieser Krankheiten zu identifizieren. Eine Studie an verschiedenen Familien mit Leber-Krankheit zeigte, dass in verschiedenen Fällen Mutationen in verschiedenen Teilen des mitochondrialen Genoms vorliegen.

Am häufigsten weisen Familien mit erblichen zytoplasmatischen Erkrankungen Heteroplasmie auf und Mütter haben sowohl normale als auch mutierte mitochondriale DNA, was zu Nachkommen sowohl mit mutierten als auch mit normalen Plasmatypen führt.

Der Zusammenhang zwischen menschlichem Alter und mitochondrialer DNA wurde auch mithilfe molekularbiologischer Techniken gezeigt. Studien zur mitochondrialen DNA bei Menschen unterschiedlichen Alters haben gezeigt, dass bei älteren Menschen der Anteil mutierter mitochondrialer DNA in Gehirn- und Herzzellen schnell ansteigt. Darüber hinaus zeigen Studien zu einigen erblichen Syndromen, dass Patienten mit diesen auch häufiger mitochondriale DNA-Mutationen aufweisen, was möglicherweise der Grund für die verkürzte Lebenserwartung ist.

Zusätzlich zu Mutationen des mitochondrialen Genoms, die zu schwerwiegenden Pathologien des Körpers führen, wurden bei verschiedenen Populationen menschlicher Rassen viele ziemlich neutrale Mutationen des mitochondrialen Genoms entdeckt. Diese umfangreichen Studien an Tausenden von Menschen auf allen Kontinenten tragen dazu bei, die Ursprünge und die Entwicklung des Menschen zu rekonstruieren. Durch den Vergleich menschlicher mitochondrialer DNA mit der von Affen (Gorilla, Orang-Utan, Schimpanse) und der Annahme, dass die Divergenz von Mensch und Affe vor etwa 13 Millionen Jahren stattfand, ist es möglich, die Anzahl der Jahre zu berechnen, die für die Veränderung eines einzelnen Basenpaars erforderlich sind. Anschließend war es durch den Vergleich der Divergenz der mitochondrialen DNA in verschiedenen menschlichen Rassen möglich, den Geburtsort der ersten Frau, man könnte sagen Eva, und den Zeitpunkt der menschlichen Besiedlung auf verschiedenen Kontinenten zu bestimmen (Abb. 3).

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Reis. 3 Die menschliche Besiedlung basiert laut D. Wallace auf der Analyse der mitochondrialen DNA-Variabilität. Die Zahlen geben den Zeitpunkt der Besiedlung dieses Gebietes vor Tausenden von Jahren an.

Da die variabelste mitochondriale DNA bei afrikanischen Ureinwohnern gefunden wurde, kann davon ausgegangen werden, dass die „Urmutter“ der Menschheit eine Afrikanerin war. Dies geschah vor etwa 100.000 Jahren. Vor etwa 70.000 Jahren begannen Menschen, Zentralasien über den Nahen Osten und Saudi-Arabien und etwas später nach Südostasien, Indonesien und Australien zu besiedeln. Vor etwa 50.000 Jahren erschienen Menschen in Europa. Dieselben Daten zeigten, dass die Besiedlung des amerikanischen Kontinents in zwei Phasen erfolgte: zunächst vor 30.000 Jahren durch Berengia (das damals existierende Land, das Amerika und Asien verband) vom Norden bis zum äußersten Süden des amerikanischen Kontinents und dann vor 8.000 Jahren vor Jahren auch von Nordostasien bis ins östliche Nordamerika. Siedler auf den Pazifikinseln erschienen erst vor relativ kurzer Zeit – vor mehreren tausend Jahren.

Es ist anzumerken, dass diese Daten, die auf einer vergleichenden Analyse der mitochondrialen DNA basieren, in ziemlich guter Übereinstimmung sowohl mit archäologischen Daten als auch mit linguistischen Analysen sind.

Die Verwendung mitochondrialer DNA zur Analyse der Geschichte der Menschheit wurde möglich, weil das mitochondriale Genom relativ klein ist, ausschließlich über die mütterliche Linie vererbt wird und im Gegensatz zu Kerngenen nicht rekombiniert.

Mitochondriales Genom

Mitochondrien kommen nicht nur in Pflanzenzellen, sondern auch in Tier- und Pilzzellen vor. Diese Organellen sind vielseitiger als Plastiden. DNA in Mitochondrien wurde erstmals 1963 (M. Naas) entdeckt, unmittelbar nach der Entdeckung der DNA in Plastiden. Trotz der Ähnlichkeit der Funktionen und der Struktur der Mitochondrien in allen drei Königreichen der Eukaryoten ist ihre genetische Organisation recht unterschiedlich, sodass die Organisation der mitochondrialen Genome in diesen Königreichen normalerweise separat betrachtet wird, um gemeinsame Merkmale der Genomorganisation zu identifizieren.

Die physikalisch-chemische Zusammensetzung der mitochondrialen DNA ist in den verschiedenen Königreichen unterschiedlich. Bei Pflanzen ist es ziemlich konstant: 45 bis 47 % der DNA bestehen aus GC-Paaren. Bei Tieren und Pilzen variiert sie deutlicher: von 21 bis 50 % der HC-Paare.

Bei mehrzelligen Tieren liegt die Größe des mitochondrialen Genoms zwischen 14,5 und 19,5 kb. In der Praxis handelt es sich immer um ein zirkuläres DNA-Molekül. Beispielsweise ist die menschliche mitochondriale DNA ein kreisförmiges Molekül mit 16.569 Nukleotidpaaren. Diese Größe kann in anderen Einheiten ausgedrückt werden – in Form des Molekulargewichts – 10 6 Dalton oder in Form der Länge der Molekülkontur – 5 Mikrometer. Die Primärstruktur dieses Moleküls ist vollständig aufgeklärt. Mitochondrien enthalten einen eigenen Übersetzungsapparat – d. h. besitzen 70S-Ribosomen, ähnlich wie Chloroplasten oder prokaryotische und bestehend aus zwei Untereinheiten, eigener Boten-RNA, notwendigen Enzymen und Proteinfaktoren. Ihr Genom kodiert ribosomale 12S- und 16S-RNAs sowie 22 Transfer-RNAs. Darüber hinaus kodiert die mitochondriale DNA für 13 Polypeptide, von denen 12 identifiziert wurden. Alle Kodierungssequenzen liegen direkt nebeneinander. Im Extremfall sind sie nur durch wenige Nukleotide voneinander getrennt. Nichtkodierende Sequenzen, d.h. keine Introns. Der kodierenden Sequenz folgt fast immer ein Transfer-RNA-Gen. Die Reihenfolge ist beispielsweise wie folgt: Phenylalanin-Transfer-RNA – 12S-ribosomales RNA-Gen – Valin-Transfer-RNA – 16S-ribosomales RNA-Gen – Leucin-Transfer-RNA usw. Diese Ordnung ist nicht nur für menschliche Mitochondrien charakteristisch, sie ist sehr konservativ und charakteristisch für alle Tiere: Fruchtfliegen, Bullen, Mäuse, Vögel, Reptilien und andere Tiere.

Die meisten Gene befinden sich in der schweren Kette; in der leichten Kette gibt es nur Gene für acht Transport-RNAs und ein Strukturgen. Im Gegensatz zu allen anderen Genomen sind also im mitochondrialen Genom beide Ketten von Bedeutung.

Obwohl die Reihenfolge der Gene in tierischen Mitochondrien dieselbe ist, wurde festgestellt, dass die Gene selbst eine unterschiedliche Konservierung aufweisen. Am variabelsten ist die Nukleotidsequenz des Replikationsursprungs und eine Reihe von Strukturgenen. Die am stärksten konservierten Sequenzen befinden sich in ribosomalen RNA-Genen und einigen Strukturgenen, einschließlich der ATPase-Kodierungssequenz.

Es ist zu beachten, dass die Universalität des genetischen Codes im mitochondrialen Genom gestört ist. Beispielsweise verwenden menschliche Mitochondrien das AUA-Triplett als Codon für Methionin und nicht wie alle anderen Isoleucin, und das UGA-Triplett, das im genetischen Standardwörterbuch als Stoppcodon verwendet wird, kodiert für Tryptophan in Mitochondrien.

Im Allgemeinen sieht die menschliche mitochondriale DNA genauso aus wie die anderer Säugetiere: Mäuse und Bullen. Obwohl es sich bei diesen Arten nicht um eng verwandte Arten handelt, liegen die Größen ihrer mitochondrialen DNA recht nahe beieinander: 16.569; 16.295; bzw. 16.338 Basenpaare. Transfer-RNA-Gene teilen einige Sinnesgene. Die wichtigsten Strukturgene sind die Gene für Cytochromoxidase, NADH-Dehydrogenase, Cytochrom-C-Oxidoreduktase und ATP-Synthetase (Abb. 4).

Die Karte des menschlichen mitochondrialen Genoms zeigt neben den Genen auch fünf bekannte menschliche Krankheiten, die über die mütterliche Linie vererbt werden und durch Mutationen im mitochondrialen Genom verursacht werden.

Beispielsweise wird die Lebersche Krankheit – Optikusatrophie – durch eine Mutation im NADH-Dehydrogenase-Gen verursacht. Die gleiche Krankheit kann auch durch eine Mutation im Cytochrom-Gen verursacht werden B und andere Orte. Insgesamt sind vier Loci bekanntermaßen gestört und können denselben mutierten Phänotyp verursachen. Darüber hinaus zeigt dieselbe Karte vier weitere Krankheiten, die mit Defekten im Gehirn, in den Muskeln, im Herzen, in den Nieren und in der Leber einhergehen. Alle diese Krankheiten werden mütterlicherseits vererbt, und wenn die Mutter nicht nur defekte, sondern auch normale mitochondriale DNA und Mitochondrien hat, kommt es zu einer Sortierung mutierter und normaler Organellen, und der Nachwuchs kann beide Organellen in unterschiedlichen Anteilen haben, und wir Eine somatische Spaltung kann man auch dann beobachten, wenn einzelne Körperteile diese Defekte nicht aufweisen.

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Reis. 4 Struktur des mitochondrialen Genoms von Säugetieren basierend auf der vollständigen Sequenz der mitochondrialen DNA von Mensch, Maus und Rind

Somit kann das kleine mitochondriale Genom von Tieren äußerst wichtige Funktionen des Körpers kodieren und dessen normale Entwicklung maßgeblich bestimmen.

Genau wie das Plastidengenom kodiert das mitochondriale Genom nur einen Teil der mitochondrialen Polypeptide (Tabelle 1), und es wird das Phänomen der Doppelkodierung beobachtet. Beispielsweise werden einige der Untereinheiten des ATPase-Komplexes vom Zellkern kodiert, während der andere Teil vom mitochondrialen Genom kodiert wird. Die meisten Gene, die ribosomale myochondriale RNAs und Proteine ​​sowie Transkriptions- und Translationsenzyme kodieren, werden vom Zellkern kodiert.

Tabelle 1

Mitochondriale DNA-Gene von Tieren

Mitochondriengenom Neurospora Mesophyll

Tiergenom:

1. kompakte Anordnung der Gene auf mtDNA;

Fehlen von Introns in Genen;

3. Fehlen nicht-kodierender Regionen in der mtDNA, mit Ausnahme der ORI-Regionen;

4. Lage der tRNA-Gene zwischen anderen Genen;

5. hohe Ähnlichkeit in der Genomgröße und Genanordnung bei verschiedenen Arten;

6. das Vorhandensein eines ORI für jeden mtDNA-Strang;

7. symmetrische Transkription beider Stränge;

8. grundsätzlich das Vorhandensein einer Transkriptionsinitiationsregion für jeden DNA-Strang;

9. Fehlen von 5/- und 3/-terminalen nichtkodierenden Sequenzen in mRNA;

10. mRNA-Reifung als Folge der Spaltung des Primärtranskripts in tRNA-Sequenzen.

Bei Pilzen ist die Größe des mitochondrialen Genoms im Durchschnitt viel größer und liegt zwischen 17,3 und 101 kb. Darüber hinaus finden sich neben dem in der Regel zirkulären Haupt-DNA-Molekül ein bis vier plasmidartige zirkuläre oder lineare Moleküle mit einer Größe von 1 bis 13 kb. Die Größe des mitochondrialen Genoms in Hefe variiert nicht nur zwischen verschiedenen Arten, sondern sogar zwischen verschiedenen Stämmen. Die Hauptgründe für signifikante Unterschiede im mitochondrialen Genom bei Pilzen sind das Vorhandensein oder Fehlen von Introns. Bei verschiedenen Hefearten liegt die Größe der mitochondrialen DNA beispielsweise zwischen 57 und 85 kb.

Das Vorhandensein von Introns und mitochondrialen DNA-Molekülen verschiedener Größenklassen ist das charakteristischste Merkmal, das Pilzmitochondrien von tierischen Mitochondrien unterscheidet. Introns unterbrechen viele Sequenzen – ribosomale RNA-Gene, Gene einiger Strukturproteine, die mitochondriale Enzyme kodieren. Das Vorhandensein der meisten Introns ist für die normale Funktion der Mitochondrien nicht notwendig. Es wurden künstlich Hefestämme konstruiert, die völlig frei von mitochondrialen Introns sind.

Viele Introns der mitochondrialen Hefe-DNA enthalten offene Leserahmen, die am Spleißen beteiligte Muturasen kodieren, während andere Introns kodierende Sequenzen für Endonukleasen und sogar Reverse Transkriptasen enthalten.

Alle in der mitochondrialen DNA von Tieren vorkommenden Gene sind auch in Pilzen vorhanden. Darüber hinaus wurden in Pilzen weitere Gene gefunden: Sie verfügen über eine größere Anzahl von tRNA-Genen, es wurden Gene für die 6., 8. und 9. Untereinheit des ATPase-Komplexes entdeckt, eine Reihe neuer Strukturgene und eine Reihe von Genen mit unbekannter Funktion ( Tabelle 2 ).

Tabelle 2

Mitochondriale DNA-Gene aus Hefe

In der mitochondrialen Hefe-DNA wurden nur zwei ribosomale RNA-Gene und nur ein ribosomales Protein-Gen gefunden. Dieses Protein befindet sich in der kleinen Untereinheit des Ribosoms. Die Größe des ribosomalen Proteingens ist selbst bei verschiedenen Stämmen sehr unterschiedlich, weshalb es den Namen variabel ( Var l). Die übrigen Proteine ​​und die RNA der mitochondrialen Ribosomen werden von Kerngenen kodiert. 24 Transfer-RNA-Gene sorgen für den Transport aller Aminosäuren zum Ort der Proteinsynthese, und nur eine Transfer-RNA, die Lysin transportiert, wird aus dem Zytoplasma importiert und vom Zellkern kodiert. Alle Transfer-RNAs von Hefe-Mitochondrien werden von demselben DNA-Strang kodiert, und nur eine von ihnen wird vom gegenüberliegenden Strang kodiert. Keines der Transport-DNA-Gene hat Introns. Cytochrom-B-Protein-Gene und Cytochrom-C-Protein-Gene können viele Introns haben – von 5 bis 9.

Aus den vorgelegten Daten geht hervor, dass die vom mitochondrialen Genom der Hefe kodierten Strukturproteine ​​für die Funktion dieser Organellen eindeutig nicht ausreichen und die meisten von ihnen vom Kerngenom kodiert werden.

Charakteristische Merkmale der Organisation und Expression von MitochondrienPilzgenom:

1. erhebliche Diversität in der Menge und Anordnung der mitochondrialen Gene bei verschiedenen Arten;

eine Vielzahl von Möglichkeiten, genetisches Material zu organisieren – von der kompakten Organisation des Genoms bis zur freien Verteilung von Genen entlang der mtDNA mit erweiterten nichtkodierenden Sequenzen zwischen Genen;

3. Mosaikstruktur einer Reihe von Genen;

4. signifikante intraspezifische Variationen der mtDNA-Größe, die mit dem Vorhandensein „optionaler“ Introns verbunden sind;

5. die Fähigkeit einzelner mtDNA-Segmente, unter Bildung eines defekten mitochondrialen Genoms herausgeschnitten und amplifiziert zu werden;

6. das Vorhandensein eines oder mehrerer ORIs, in denen die Replikation jeweils bidirektional initiiert wird;

7. Lage aller mitochondrialen Gene auf einem Strang der mtDNA und asymmetrische Transkription der mtDNA;

8. Vielzahl von mtDNA-Transkriptionseinheiten;

9. eine Vielzahl von Signalen zur Verarbeitung primärer Transkripte, die je nach Art entweder tRNA oder Oligonukleotidblöcke eines anderen Typs sein können;

10. In den meisten Fällen enthalten mRNAs erweiterte terminale nichtkodierende Sequenzen.

Die komplexeste Organisation des mitochondrialen Genoms findet sich in höheren Pflanzen. Ihr mitochondriales Genom besteht aus einer Reihe superspiralisierter doppelsträngiger kreisförmiger und/oder linearer Moleküle. Alle mitochondrialen Genomsequenzen können in einem großen kreisförmigen „Chromosom“ organisiert werden, und die beobachteten unterschiedlichen Größenklassen mitochondrialer DNA sind höchstwahrscheinlich das Ergebnis von Rekombinationsprozessen. Zumindest auf Spinat, Arten zweier Gattungen Brassica Und Raphanus In Zuckerrüben und Weizen wurde gezeigt, dass der Grund für eine solche Streuung des mitochondrialen Genoms in der Rekombination homologer Regionen mitochondrialer DNA liegt. Aufgrund des Vorhandenseins von direkt ausgerichteten zwei oder drei Wiederholungsfamilien mit einer Größe von 1 bis 14 kb sind mitochondriale DNA-Moleküle zu aktiven inter- und intragenomischen Umlagerungen fähig. Durch solche Umlagerungen kann mitochondriale DNA in Form von Molekülen verschiedener Größenklassen vorliegen.

So zum Beispiel bei Kreuzblütlern Brassica campestris Mitochondriale DNA liegt in Form von drei Arten kreisförmiger Moleküle vor. Der erste Typ enthält das vollständige Genom – 218 kb, der zweite – 135 und der dritte – 83 kb. Subgenomische Ringe entstehen durch die Rekombination genomischer Ringe mit einem Paar direkter Wiederholungen von 2 kb Länge.

Bei Weizen ist die Größe des mitochondrialen Genoms viel größer – 430 kb, und es gibt mehr als 10 direkte Rekombinationswiederholungen. Daher kann man bei der elektronenmikroskopischen Beobachtung viele Ringe unterschiedlicher Größe sehen, aber niemand hat dies beobachtet In diesem Zustand ist das mitochondriale Genom des Weizens möglicherweise nie in einem großen kreisförmigen Molekül vorhanden. In Marchantia Moos und andere Kreuzblütler Brassica Hirta Es gibt keine direkten Rekombinationswiederholungen, und vielleicht liegt die mitochondriale DNA deshalb in Form kreisförmiger Moleküle derselben Größenklasse vor. Für mitochondriale DNA höherer Pflanzen ist dies jedoch eher die Ausnahme als die Regel. In den meisten höheren Pflanzen enthält das mitochondriale Genom sowohl Rekombinationswiederholungen als auch mitochondriale DNA-Moleküle verschiedener Größenklassen.

Die Anzahl der Moleküle derselben Größenklasse kann in verschiedenen Pflanzengeweben je nach Zustand der Pflanze und Umweltbedingungen sehr stark variieren. Bei der Pflanzenkultivierung wurde eine Veränderung der Zahlenverhältnisse mitochondrialer DNA-Moleküle unterschiedlicher Größenklassen festgestellt In vivo Und In vitro. Möglicherweise spiegeln Veränderungen in den numerischen Beziehungen zwischen Molekülen verschiedener Größenklassen die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen durch eine erhöhte Verstärkung der gewünschten Gene wider.

Darüber hinaus kann das mitochondriale Genom sowohl lineare als auch zirkuläre Plasmide mit DNA- und RNA-Sequenzen enthalten, deren Größe zwischen 1 und 30 kb liegt. Mitochondriale Plasmide stammen wahrscheinlich aus anderen zellulären Genomen oder sogar anderen Organismen. Manchmal kann ihr Vorhandensein oder Fehlen mit der zytoplasmatischen männlichen Sterilität von Pflanzen in Verbindung gebracht werden, jedoch nicht immer. Bei einigen Arten sind Plasmide vorhanden, es wird jedoch keine Sterilität beobachtet. In mindestens einem Fall konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass in den Mitochondrien von Linien mit dem sogenannten S-Typ der Maissterilität ein Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein plasmidartiger mitochondrialer DNA und der Manifestation des Phänomens der zytoplasmatischen Männchen festgestellt wurde Sterilität. Es wurde die Fähigkeit mitochondrialer Plasmide festgestellt, sich sowohl in das mitochondriale Genom als auch in die Kernchromosomen zu integrieren. In anderen Fällen führt das Vorhandensein von Plasmid-DNA jedoch nicht immer zu Pollensterilität.

Die Größe des mitochondrialen Genoms von Pflanzen ist am unterschiedlichsten – von 200 bis 2500 kb. Die Größe des mitochondrialen Genoms höherer Pflanzen ist größer als die Größe ihres Chloroplastengenoms.

Signifikante Variationen in der Größe des mitochondrialen Genoms sind das zweite Merkmal des pflanzlichen mitochondrialen Genoms. Das Genom ist nicht nur sehr groß, sondern kann auch bei eng verwandten Arten unterschiedlich sein, und in einigen Fällen ist eine geringe Variabilität zu beobachten - Arten der Gattung Brassica, in anderen ist es sehr groß. Die größte Größenvariabilität wird bei Kürbispflanzen beobachtet. Innerhalb dieser Familie ist die Größe des mitochondrialen Genoms am unterschiedlichsten – ab 330 kb. in Wassermelone bis 2500 kb. bei der Melone. Daher kann auch der Anteil der mitochondrialen DNA am Gesamtvolumen des Pflanzengenoms erheblich variieren – etwa 1 % bei den meisten Pflanzen, bis zu 15 % bei Melonen-Hypokotylzellen.

Es wurde versucht, das Vorhandensein großer mitochondrialer Genome mit verschiedenen Gründen zu erklären.

Das Vorhandensein zusätzlicher Gene oder spezieller Sequenzen, die für die Funktion der Mitochondrien notwendig sind.

Das Vorhandensein von DNA, die von der Pflanze verwendet wird, jedoch nicht als kodierende DNA, sondern für eine andere Funktion.

DNA, die nicht für die Mitochondrienfunktion verwendet wird, wird als „egoistische“ DNA bezeichnet.

Offenbar gibt es noch eine weitere Möglichkeit, das mitochondriale Genom zu vergrößern – dabei handelt es sich um Sequenzen, die zur Kern- und Chloroplasten-DNA homolog sind. Sequenzen, die beispielsweise bei Arabidopsis homolog zur Kern-DNA sind, machen bis zu 5 % des mitochondrialen Genoms aus. Ursprünglich wurde die in das mitochondriale Genom eingebaute Chloroplasten-Genomsequenz in Mais entdeckt. Es umfasste eine Region von etwa 14 kb, die veränderte Chloroplasten-16S-ribosomale RNA-Gene enthielt, und eine Region der großen Untereinheit RDPK/O. Anschließend wurden Chloroplasteninsertionen im mitochondrialen Genom vieler höherer Pflanzenarten entdeckt. Typischerweise machen sie 1–2 % der mitochondrialen Sequenzen aus und umfassen drei Hauptsequenzen.

Die Sequenz ist 12 kb lang. aus einer umgekehrten Wiederholung der Chloroplasten-DNA. Es enthält Sequenzen für das 3"-Exon von vier Transfer-RNAs und Sequenz 16 S ribosomale RNA.

Eine 1,9 bis 2,7 kb große Sequenz, die die große Untereinheit von Rubisco vollständig kodiert.

Sequenz nicht länger als 2 kb. Im Chloroplastengenom kodiert diese Region für das 3"-Ende der 23S-ribosomalen RNA, der 4,5S- und 5S-rRNA sowie drei Transfer-RNAs. Von allen Chloroplasten-Genomsequenzen, die im pflanzlichen Mitochondriengenom vorhanden sind, ist nur die Transfer-RNA vorhanden Sequenzen werden tatsächlich transkribiert.

Da im mitochondrialen Genom vieler Pflanzenarten die gleichen Chloroplastensequenzen vorhanden sind, kann davon ausgegangen werden, dass sie eine gewisse funktionelle Bedeutung haben. Gleichzeitig bleiben ihre Rolle, der Übertragungsmechanismus und der Zeitpunkt dieser Übertragung unbekannt. Fand diese Übertragung zu einem weit entfernten Zeitpunkt in der Evolution der Bildung einer eukaryotischen Zelle statt, oder deutete das Vorhandensein von Chloroplasteninsertionen im mitochondrialen Genom darauf hin, dass es sich um einen normalen Prozess des Informationsaustauschs zwischen Organellen handelt, der jetzt stattfindet, oder tut dies der Fall? treten in der relativ jungen Evolutionszeit der Bildung bestimmter Arten und Pflanzengattungen periodisch auf?

Darüber hinaus sind einige der mitochondrialen Genomsequenzen homolog zu viralen Sequenzen.

Um die Anzahl der tatsächlich funktionierenden Gene im Genom pflanzlicher Mitochondrien zu ermitteln, bestimmten einige Forscher die Anzahl der Translationsprodukte. Es zeigte sich, dass die Anzahl der nachweisbaren Proteinbanden selbst bei Pflanzen mit zehnfachen Unterschieden in der Genomgröße gleich war. Obwohl die verwendeten Methoden keine direkte Antwort auf die Frage nach der Gesamtzahl der Gene im mitochondrialen Genom liefern, ist es dennoch interessant, dass in den analysierten Angiospermenarten die gleiche Anzahl an Translationsprodukten identifiziert wurde und nahe an der Anzahl der Gene lag kodierende Proteine ​​in tierischen Mitochondrien und Hefe.

Zum ersten Mal wurde 1986 die vollständige Nukleotidsequenz der mitochondrialen DNA in Pflanzen bei einer Art bestimmt – Marchantia ( Marchantia Polymorpha) und später bei Arabidopsis und mehreren Algenarten.

Das mitochondriale DNA-Molekül in Marchantia hat eine Größe von 186.608 bp. Es kodiert Gene für 3 rRNAs, 29 Gene für 27 tRNAs und 30 Gene für bekannte funktionelle Proteine ​​(16 ribosomale Proteine, 3 Untereinheiten der Cytochrom-C-Oxidase, Cytochrom b, 4 Untereinheiten der ATP-Synthetase und 9 Untereinheiten der NADH-Dehydrogenase). Das Genom enthält außerdem 32 nicht identifizierte offene Leserahmen. Darüber hinaus wurden 32 Introns in 16 Genen gefunden. Die Anzahl der Gene für einen bestimmten Komplex kann in verschiedenen Pflanzen variieren, da ein oder mehrere Gene dieses Komplexes in den Zellkern übertragen werden können. Von den nicht identifizierten Genen sind mindestens 10 konsistent in fast allen Pflanzenarten zu finden, was auf die Bedeutung ihrer Funktionen hinweist.

Die Anzahl der mitochondrialen Gene, die Transfer-RNAs pflanzlicher Mitochondrien kodieren, ist sehr unterschiedlich. Bei vielen Arten sind die eigenen mitochondrialen Transfer-RNAs eindeutig unzureichend und werden daher aus dem Zytoplasma exportiert (kodiert durch den Zellkern oder das Plastidengenom). Beispielsweise sind bei Arabidopsis 12 Transfer-RNAs mitochondrial kodiert, 6 sind Chloroplasten und 13 sind nuklear; in Marchantia sind 29 mitochondrial und 2 nuklear, und keine der Transport-RNAs weist eine Chloroplasten-Kodierung auf; bei Kartoffeln sind 25 mitochondrial, 5 chloroplastenförmig und 11 nuklear; in Weizen sind 9 mitochondrial, 6 chloroplastenartig und 3 nuklear (Tabelle 3).

Im Gegensatz zu tierischer mitochondrialer DNA und Chloroplastengenen sind pflanzliche mitochondriale DNA-Gene im gesamten Genom verteilt. Dies gilt sowohl für Gene, die Transfer-RNAs kodieren, als auch für Gene, die Proteine ​​kodieren.

Tisch 3

Die Natur mitochondrialer Transfer-RNAs in Pflanzen

Wie das Genom der Mitochondrien von Pilzen verfügt auch das Genom der Mitochondrien von Pflanzen über Introns, die in den Genomen von Mitochondrien von Tieren nicht vorhanden sind.

Bei einigen Arten sind mehrere Gene im Genom doppelt vorhanden. So wiederholen sich die rRNA-Gene in Mais und Saubohnen nicht, in Weizen dagegen mehrfach. Gene, die mitochondriale Proteine ​​kodieren, können sich auch in ihrem Genom wiederholen.

Natürlich enthalten Mitochondrien wie Chloroplasten viel mehr Enzymproteine ​​als ihr Genom an Genen. Und deshalb werden die meisten Proteine ​​durch das Kerngenom kontrolliert, im Zytoplasma auf zytoplasmatischen und nicht auf mitochondrialen Ribosomen zusammengesetzt und in die mitochondrialen Membranen transportiert.

Somit ist das mitochondriale Genom von Pflanzen ein äußerst variables System, aber hinsichtlich der Anzahl der Gene recht stabil. Im Gegensatz zum kompakten Genom der Chloroplasten machen Gene im mitochondrialen Genom von Pflanzen weniger als 20 % des Genoms aus. Die Vergrößerung des mitochondrialen Genoms im Vergleich zu Pilzen oder Tieren wird durch das Vorhandensein von Introns, verschiedenen sich wiederholenden Sequenzen, Insertionen aus dem Genom von Chloroplasten, dem Zellkern und Viren verursacht. Die Funktionen von etwa 50 % des pflanzlichen Mitochondriengenoms sind noch nicht aufgeklärt. Zusätzlich zu der Tatsache, dass sich viele Strukturgene, die die Funktion der Mitochondrien steuern, im Zellkern befinden, befinden sich dort auch viele Gene, die die Prozesse der Transkription, Verarbeitung und Übersetzung mitochondrialer Gene steuern. Folglich sind Mitochondrien noch weniger autonome Organellen als Plastiden.

Literatur

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Funktionsweise des mitochondrialen Genoms Was ist das Besondere an den Mechanismen der DNA-Replikation und -Transkription von Säugetier-Mitochondrien? Bei den meisten Tieren unterscheiden sich die komplementären Ketten in der mtDNA erheblich in der spezifischen Dichte, da sie ungleiche Mengen an „schweren“ Purin- und „leichten“ Pyrimidinnukleotiden enthalten. Daher werden sie als H-Kette (schwer – schwer) und L-Kette (leicht – leicht) bezeichnet. Zu Beginn der Replikation des mtDNA-Moleküls entsteht ein sogenannter D-Loop (vom englischen Displacement Loop). Diese im Elektronenmikroskop sichtbare Struktur besteht aus einem doppelsträngigen und einem einzelsträngigen (verlängerten Teil der H-Kette) Bereich. Die doppelsträngige Region wird durch einen Teil der L-Kette und ein dazu komplementäres neu synthetisiertes DNA-Fragment mit einer Länge von 450–650 Nukleotiden (abhängig von der Art des Organismus) und einem entsprechenden Ribonukleotid-Primer am 5-Zoll-Ende gebildet zum Startpunkt der H-Ketten-Synthese (oriH) Die Synthese der L-Kette beginnt erst, wenn die Tochter-H-Kette den Punkt ori L erreicht. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Replikationsinitiationsregion der L-Kette ist Für DNA-Syntheseenzyme ist sie nur im einzelsträngigen Zustand und daher nur in einer unverdrillten Doppelhelix während der Synthese des H-Strangs zugänglich. Somit werden die Tochterstränge der mtDNA kontinuierlich und asynchron synthetisiert (Abb. 3). Abb. 3. In Mitochondrien übersteigt die Gesamtzahl der Moleküle mit einer D-Schleife die Zahl der vollständig replizierenden Moleküle deutlich. Dies liegt daran, dass die D-Schleife zusätzliche Funktionen hat – Anheftung von mtDNA an die innere Membran und Initiierung der Transkription, da in dieser Region Transkriptionspromotoren beider DNA-Stränge lokalisiert sind. Im Gegensatz zu den meisten eukaryotischen Genen, die unabhängig voneinander transkribiert werden, wird jeder der mtDNA-Stränge von Säugetieren transkribiert, um ein einzelnes RNA-Molekül zu bilden, das in der ori-H-Region beginnt. Zusätzlich zu diesen beiden langen RNA-Molekülen, die zu H- und L-komplementär sind. Ketten werden auch kürzere Abschnitte der H-Kette gebildet, die am gleichen Punkt beginnen und am 3"-Ende des 16S-rRNA-Gens enden (Abb. 4). Solche kurzen Transkripte gibt es zehnmal mehr als lange. As Durch die Reifung (Verarbeitung) werden daraus 12S-rRNA und 16S-rRNA gebildet, die an der Bildung mitochondrialer Ribosomen beteiligt sind, sowie Phenylalanin- und Valin-tRNAs, die aus langen Transkripten herausgeschnitten und translatierte mRNAs gebildet werden an deren 3"-Enden Polyadenylsequenzen angebracht sind. Die 5"-Enden dieser mRNAs sind nicht verschlossen, was für Eukaryoten ungewöhnlich ist. Spleißen (Spleißen) findet nicht statt, da keines der mitochondrialen Gene von Säugetieren Introns enthält.

ND1-ND6, ND4L – Gene von Untereinheiten des NAD-H-Dehydrogenase-Komplexes; COI-COIII – Gene der Cytochrom-C-Oxidase-Untereinheiten; ATP6, ATP8 – Gene der ATP-Synthetase-Untereinheiten. Cyt b – Cytochrom-b-Gen.

Abb. 4. Transkription menschlicher mtDNA mit 37 Genen. Die Synthese aller Transkripte beginnt in der ori-H-Region. Ribosomale RNAs werden aus den langen und kurzen H-Strang-Transkripten herausgeschnitten. tRNA und mRNA entstehen durch Verarbeitung aus Transkripten beider DNA-Stränge. tRNA-Gene sind hellgrün dargestellt.

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Trotz der Tatsache, dass die Genome von Säugetier- und Hefe-Mitochondrien ungefähr die gleiche Anzahl von Genen enthalten, ist die Größe des Hefegenoms vier- bis fünfmal größer – etwa 80.000 Nukleotidpaare. Obwohl die kodierenden Sequenzen der Hefe-mtDNA stark homolog zu den entsprechenden Sequenzen beim Menschen sind, haben Hefe-mRNAs zusätzlich eine 5"-Leaderregion und eine 3"-nichtkodierende Region, wie die meisten nuklearen mRNAs. Einige Gene enthalten auch Introns. Somit hat das Box-Gen, das für Cytochromoxidase b kodiert, zwei Introns. Eine Kopie des größten Teils des ersten Introns wird autokatalytisch (ohne Beteiligung von Proteinen) aus dem primären RNA-Transkript herausgeschnitten. Die verbleibende RNA dient als Vorlage für die Bildung des Enzyms Ma-Turase, das am Spleißen beteiligt ist. Ein Teil seiner Aminosäuresequenz ist in den verbleibenden Kopien der Introns kodiert. Maturase schneidet sie heraus und zerstört dabei ihre eigene mRNA, Kopien von Exons werden zusammengefügt und es entsteht mRNA für Cytochromoxidase b (Abb. 5). Die Entdeckung eines solchen Phänomens zwang uns, die Vorstellung von Introns als „nichtkodierenden Sequenzen“ zu überdenken.

Abb. 5.

Bei der Untersuchung der Expression mitochondrialer Gene Trypanosoma brucei Es wurde eine überraschende Abweichung von einem der grundlegenden Axiome der Molekularbiologie entdeckt, das besagt, dass die Sequenz der Nukleotide in der mRNA genau der in den kodierenden Regionen der DNA entspricht. Es stellte sich heraus, dass die mRNA einer der Cytochrom-C-Oxidase-Untereinheiten editiert ist, d. h. nach der Transkription ändert sich seine Primärstruktur – es werden vier Uracile eingefügt. Dadurch entsteht eine neue mRNA, die als Vorlage für die Synthese einer weiteren Untereinheit des Enzyms dient, deren Aminosäuresequenz nichts mit der von der unbearbeiteten mRNA kodierten Sequenz gemein hat (siehe Tabelle).

Die größte Überraschung für Wissenschaftler stellten Mitochondrien im Jahr 1979 dar. Bis zu diesem Zeitpunkt glaubte man, dass der genetische Code universell sei und dass dieselben Tripletts in Bakterien, Viren, Pilzen, Pflanzen und Tieren dieselben Aminosäuren codieren. Der englische Forscher Burrell verglich die Struktur eines der mitochondrialen Gene des Kalbes mit der Aminosäuresequenz in der von diesem Gen kodierten Cytochromoxidase-Untereinheit. Es stellte sich heraus, dass der genetische Code der Mitochondrien beim Rind (wie auch beim Menschen) nicht nur vom universellen Code abweicht, sondern auch „ideal“ ist, d. h. befolgt die folgende Regel: „Wenn zwei Codons zwei identische Nukleotide haben und die dritten Nukleotide zur gleichen Klasse gehören (Purin – A, G oder Pyrimidin – U, C), dann kodieren sie für dieselbe Aminosäure.“ Im universellen Code gibt es zwei Ausnahmen von dieser Regel: Das AUA-Triplett codiert Isoleucin und das AUG-Codon codiert Methionin, während im idealen mitochondrialen Code beide Tripletts Methionin codieren; Das UGG-Triplett kodiert nur Tryptophan und das UGA-Triplett kodiert ein Stoppcodon. Im universellen Code betreffen beide Abweichungen die grundlegenden Aspekte der Proteinsynthese: Das AUG-Codon ist das initiierende Codon und das Stoppcodon UGA stoppt die Synthese des Polypeptids. Der ideale Code ist nicht allen beschriebenen Mitochondrien inhärent, aber keine von ihnen verfügt über einen universellen Code. Wir können sagen, dass Mitochondrien verschiedene Sprachen sprechen, aber niemals die Sprache des Zellkerns.

Unterschiede zwischen dem „universellen“ genetischen Code und den beiden mitochondrialen Codes

Mitochondrial

Säugetiercode

Mitochondrial

Hefecode

"Universal"

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