ساختار و سازمان‌دهی DNA میتوکندریایی

DNA میتوکندریایی انسان یک مولکول دایره‌ای کوچک و دو رشته‌ای به طول تقریبی 16,569 جفت باز است که مجموعه‌ای فشرده از ژن‌های ضروری برای فسفریلاسیون اکسیداتیو را کد می‌کند. سازمان‌دهی متراکم و تقریباً بدون اینترون آن، دو رشته با ترکیب متفاوت، و یک ناحیه کنترلی غیرکدکننده کوتاه، آن را از ژنوم هسته‌ای بسیار بزرگ‌تر متمایز می‌کند.

Definition

DNA میتوکندریایی (mtDNA) ژنوم دایره‌ای، دو رشته‌ای و چند نسخه‌ای است که در میتوکندری قرار دارد؛ در انسان حدود 16.6 کیلوباز طول دارد و 13 پلی‌پپتید زنجیره تنفسی، 22 RNA ناقل و 2 RNA ریبوزومی را کد می‌کند، با یک ناحیه کنترلی غیرکدکننده اصلی.

Scope

این موضوع به توصیف شکل فیزیکی، محتوای ژنی و ویژگی‌های سازمان‌دهی ژنوم میتوکندریایی پستانداران می‌پردازد و بر اساس توالی کامل انسانی که در سال 1981 تعیین شد، بنا شده است. این شامل رشته‌های سنگین و سبک، 37 ژن (13 ژن کدکننده پروتئین، 22 tRNA، 2 rRNA)، ناحیه کنترلی (حلقه D) و آرایش اقتصادی و همپوشان ژنوم است. این موضوع مکانیک تکثیر یا وراثت را پوشش نمی‌دهد که در موضوعات مرتبط دیگر بررسی می‌شوند.

Core questions

• اندازه و شکل فیزیکی ژنوم میتوکندریایی انسان چیست؟
• mtDNA کدام ژن‌ها را کد می‌کند و کدام پروتئین‌های میتوکندریایی به جای آن از ژن‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند؟
• چه چیزی رشته سنگین را از رشته سبک متمایز می‌کند؟
• ناحیه کنترلی (حلقه D) چیست و چه چیزی را شامل می‌شود؟
• اقتصاد ژنتیکی mtDNA چگونه با ژنوم هسته‌ای تفاوت دارد؟

Key concepts

• ژنوم دایره‌ای دو رشته‌ای (~16.6 کیلوباز)
• رشته‌های سنگین (H) و سبک (L)
• 37 ژن: 13 کدکننده پروتئین، 22 tRNA، 2 rRNA
• ناحیه کنترلی غیرکدکننده / حلقه جابجایی (حلقه D)
• سازمان‌دهی فشرده، تقریباً بدون اینترون با ژن‌های همپوشان
• کد ژنتیکی میتوکندریایی واریانت
• توالی مرجع اصلاح شده کمبریج (rCRS)

Mechanisms

دو رشته mtDNA از نظر ترکیب بازی متفاوت هستند: رشته سنگین غنی از گوانین و رشته سبک غنی از سیتوزین، خاصیتی که در گذشته برای جداسازی آنها مورد استفاده قرار می‌گرفت و در مکمل‌های ژنی متمایز آنها منعکس شده است. توالی کامل انسانی سال 1981 (آندرسون و همکاران) نشان داد که تقریباً کل ژنوم کدکننده است، با ژن‌هایی که به هم چسبیده‌اند یا کمی همپوشانی دارند، تعداد کمی اینترون یا بدون اینترون، و برخی چارچوب‌های خوانش که نوکلئوتیدها را به اشتراک می‌گذارند؛ تنها بخش غیرکدکننده قابل توجه، ناحیه کنترلی است که حاوی مبدأها و پروموترهایی است که تکثیر و رونویسی را کنترل می‌کنند. ژنوم 13 زیرواحد از کمپلکس‌های فسفریلاسیون اکسیداتیو به علاوه 22 tRNA و 2 rRNA مورد نیاز برای ترجمه آنها در داخل اندامک را کد می‌کند، در حالی که تقریباً 1,500 پروتئین میتوکندریایی باقی‌مانده در هسته کدگذاری شده و وارد می‌شوند. توالی موازی موش (بیب و همکاران، 1981) این سازمان‌دهی اقتصادی را به عنوان یک ویژگی عمومی پستانداران تأیید کرد.

Clinical relevance

سازمان‌دهی فشرده mtDNA به این معنی است که حتی تغییرات کوچک توالی می‌توانند ژن‌های حیاتی برای متابولیسم انرژی را مختل کنند، و محل یک واریانت در نواحی کدکننده، tRNA یا کنترلی به توضیح پیامدهای بیوشیمیایی توصیف شده در ژنتیک بالینی کمک می‌کند. این مدخل ساختار ژنوم را برای جهت‌گیری آموزشی توصیف می‌کند و مبنایی برای تفسیر ژنتیکی فردی یا مراقبت نیست.

History

ساختار mtDNA زمانی تعریف شد که آندرسون و همکاران توالی کامل ژنوم میتوکندریایی انسان را در سال 1981 منتشر کردند، که یکی از اولین ژنوم‌های کامل توالی‌یابی شده بود؛ این کار کاتالوگ ژنی، عدم تقارن رشته‌ای و کد ژنتیکی واریانت را مشخص کرد. توالی همزمان موش، سازمان‌دهی را در سراسر پستانداران تأیید کرد. توالی مرجع بعداً اصلاح شد و اکنون به عنوان توالی مرجع اصلاح شده کمبریج (rCRS) استفاده می‌شود که واریانت‌های انسانی بر اساس آن گزارش می‌شوند.

Key figures

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

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

ژنوم میتوکندریایی انسان چقدر بزرگ است و چند ژن را حمل می‌کند؟

این یک مولکول دایره‌ای به طول حدود 16,569 جفت باز است که 37 ژن را کد می‌کند: 13 ژن که پروتئین‌های زنجیره تنفسی را مشخص می‌کنند، 22 RNA ناقل و 2 RNA ریبوزومی.

آیا همه پروتئین‌های میتوکندریایی توسط mtDNA کدگذاری می‌شوند؟

خیر. تنها 13 پلی‌پپتید توسط mtDNA کدگذاری می‌شوند؛ اکثریت قریب به اتفاق پروتئین‌های میتوکندریایی توسط ژن‌های هسته‌ای کدگذاری شده، در سیتوپلاسم ساخته شده و به داخل اندامک وارد می‌شوند.