تركيب وتنظيم الحمض النووي للميتوكوندريا

الحمض النووي البشري للميتوكوندريا هو جزيء دائري صغير مزدوج الشريطة يتكون تقريبًا من 16,569 زوجًا قاعديًا، ويشفر مجموعة مدمجة من الجينات الضرورية للفسفرة التأكسدية. يميزه تنظيمه الكثيف والخالي تقريبًا من الإنترونات، وشريطاه المختلفان في التركيب، ومنطقة تحكم قصيرة غير مشفرة، عن الجينوم النووي الأكبر بكثير.

Definition

الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) هو الجينوم الدائري، مزدوج الشريطة، متعدد النسخ الموجود في الميتوكوندريا؛ في البشر يبلغ طوله حوالي 16.6 كيلوبايت ويشفر 13 عديد ببتيد لسلسلة التنفس، و22 رنا ناقل، و2 رنا ريبوسومي، مع منطقة تحكم رئيسية واحدة غير مشفرة.

Scope

يصف هذا الموضوع الشكل الفيزيائي، ومحتوى الجينات، والسمات التنظيمية لجينوم الميتوكوندريا لدى الثدييات، بالاعتماد على التسلسل البشري الكامل الذي تم تحديده عام 1981. ويغطي الشريطين الثقيل والخفيف، والجينات الـ 37 (13 جينًا مشفرًا للبروتين، 22 جينًا للرنا الناقل، 2 جينًا للرنا الريبوسومي)، ومنطقة التحكم (حلقة D)، والترتيب الاقتصادي المتداخل للجينوم. لا يغطي هذا الموضوع آليات التضاعف أو الوراثة، والتي يتم تناولها في مواضيع ذات صلة.

Core questions

• ما هو حجم وشكل جينوم الميتوكوندريا البشري؟
• ما هي الجينات التي يشفرها الحمض النووي للميتوكوندريا وما هي بروتينات الميتوكوندريا التي تُصنع بدلاً من ذلك من الجينات النووية؟
• ما الذي يميز الشريط الثقيل عن الشريط الخفيف؟
• ما هي منطقة التحكم (حلقة D) وماذا تحتوي؟
• كيف يختلف الاقتصاد الجيني للحمض النووي للميتوكوندريا عن الجينوم النووي؟

Key concepts

• جينوم دائري مزدوج الشريطة (~16.6 كيلوبايت)
• الشريطان الثقيل (H) والخفيف (L)
• 37 جينًا: 13 مشفرة للبروتين، 22 رنا ناقل، 2 رنا ريبوسومي
• منطقة تحكم غير مشفرة / حلقة الإزاحة (D-loop)
• تنظيم مدمج، شبه خالٍ من الإنترونات مع جينات متداخلة
• شفرة وراثية ميتوكوندرية متغيرة
• تسلسل كامبريدج المرجعي المنقح (rCRS)

Mechanisms

يختلف شريطي الحمض النووي للميتوكوندريا في تركيب القواعد: الشريط الثقيل الغني بالغوانين والشريط الخفيف الغني بالسايتوزين، وهي خاصية استُغلت تاريخيًا لفصلهما وتنعكس في تكملة جيناتهما المميزة. أظهر التسلسل البشري الكامل عام 1981 (أندرسون وزملاؤه) أن الجينوم بأكمله تقريبًا مشفر، حيث تتجاور الجينات أو تتداخل قليلاً، مع وجود عدد قليل من الإنترونات أو عدم وجودها، وبعض إطارات القراءة تتشارك النيوكليوتيدات؛ الجزء الوحيد الكبير غير المشفر هو منطقة التحكم، التي تحتوي على منشأ ومحفزات تتحكم في التضاعف والنسخ. يشفر الجينوم 13 وحدة فرعية من مركبات الفسفرة التأكسدية بالإضافة إلى 22 رنا ناقل و2 رنا ريبوسومي اللازمة لترجمتها داخل العضية، بينما يتم تشفير ما تبقى من حوالي 1500 بروتين ميتوكوندري في النواة ويتم استيرادها. أكد التسلسل الموازي للفأر (بيب وزملاؤه، 1981) هذا التنظيم الاقتصادي كسمة عامة للثدييات.

Clinical relevance

يعني التنظيم المدمج للحمض النووي للميتوكوندريا أن التغيرات الصغيرة في التسلسل يمكن أن تعطل الجينات الحيوية لعملية الأيض الخلوي، ويساعد موقع المتغير داخل مناطق التشفير أو الرنا الناقل أو مناطق التحكم في تفسير العواقب الكيميائية الحيوية الموصوفة في علم الوراثة السريري. يصف هذا المدخل بنية الجينوم للتوجيه التعليمي وليس أساسًا للتفسير الجيني الفردي أو الرعاية.

History

تم تحديد بنية الحمض النووي للميتوكوندريا عندما نشر أندرسون وزملاؤه التسلسل الكامل لجينوم الميتوكوندريا البشري في عام 1981، وكان أحد أوائل الجينومات الكاملة التي تم تسلسلها على الإطلاق؛ وقد أرسى هذا العمل فهرس الجينات، وعدم تناسق الشريطين، والشفرة الوراثية المتغيرة. أكد التسلسل المتزامن للفأر هذا التنظيم عبر الثدييات. تم تصحيح التسلسل المرجعي لاحقًا ويستخدم الآن كتسلسل كامبريدج المرجعي المنقح الذي يتم الإبلاغ عن المتغيرات البشرية بناءً عليه.

Key figures

• Frederick Sanger
• Sjef Anderson
• David A. Clayton
• Bart G. Barrell

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

ما هو حجم جينوم الميتوكوندريا البشري وكم عدد الجينات التي يحملها؟

هو جزيء دائري يتكون من حوالي 16,569 زوجًا قاعديًا يشفر 37 جينًا: 13 منها تحدد بروتينات سلسلة التنفس، و22 رنا ناقل، و2 رنا ريبوسومي.

هل جميع بروتينات الميتوكوندريا مشفرة بواسطة الحمض النووي للميتوكوندريا؟

لا. 13 عديد ببتيد فقط مشفرة بواسطة الحمض النووي للميتوكوندريا؛ الغالبية العظمى من بروتينات الميتوكوندريا مشفرة بواسطة الجينات النووية، وتُصنع في السيتوبلازم، وتُستورد إلى العضية.