Replikasi dan Perputaran DNA Mitokondria

DNA mitokondria disalin dan didegradasi secara terus-menerus, secara independen dari siklus sel nuklir, oleh serangkaian enzim mitokondria khusus. Replikasi dan perputaran yang santai dan berkelanjutan ini menjaga jumlah salinan mtDNA sel dan mendasari mengapa genom mutan dan tipe liar dapat berubah proporsinya seiring waktu bahkan pada sel yang tidak membelah.

Definition

Replikasi dan perputaran DNA mitokondria adalah penyalinan dan degradasi mtDNA yang berkelanjutan, independen siklus sel, yang dilakukan oleh protein replikasi dan pemeliharaan mitokondria, yang mempertahankan dan mengatur jumlah molekul mtDNA per sel.

Scope

Topik ini mencakup bagaimana genom mitokondria direplikasi dan dipelihara: daerah kontrol sebagai tempat asal replikasi dan promotor, mesin replikasi inti (polimerase mtDNA, helikase, dan protein pengikat untai tunggal), konsep replikasi santai yang tidak terkait dengan siklus sel, dan perputaran berkelanjutan yang mengatur jumlah salinan. Topik ini tidak mencakup kandungan gen genom (topik struktur terkait) atau konsekuensi kesalahan replikasi sebagai penyakit (topik mutasi), kecuali secara sepintas.

Core questions

• Bagaimana DNA mitokondria direplikasi, dan di mana replikasi dan transkripsi dimulai?
• Protein apa saja yang membentuk mesin replikasi mitokondria?
• Apa arti replikasi 'santai' dan bagaimana perbedaannya dengan replikasi DNA nuklir?
• Bagaimana jumlah salinan mtDNA dipertahankan melalui perputaran yang berkelanjutan?
• Mengapa replikasi independen siklus sel memungkinkan heteroplasmi bergeser seiring waktu?

Key concepts

• Asal dan promotor daerah kontrol (D-loop)
• Replikasi santai, tidak terkait dengan siklus sel
• Polimerase DNA mitokondria gamma (POLG)
• Helikase TWINKLE dan protein pengikat untai tunggal mitokondria
• Sintesis dan degradasi berkelanjutan (perputaran)
• Regulasi jumlah salinan mtDNA
• Segregasi genom secara replikatif

Mechanisms

Replikasi mtDNA hewan dimulai di daerah kontrol non-pengkodean dan didorong oleh mesin khusus kecil daripada aparatus replikasi nuklir: polimerase DNA mitokondria gamma mensintesis untai baru, helikase (TWINKLE) membuka untai templat, dan protein pengikat untai tunggal menstabilkan untai yang terbuka, dengan transkripsi menyediakan primer (Clayton, 1982; Gustafsson dan rekan, 2016). Urutan lengkap manusia (Anderson dan rekan, 1981) menempatkan daerah kontrol dan elemen pengaturnya. Yang terpenting, replikasi mtDNA bersifat 'santai', ia berlangsung sepanjang siklus sel dan berlanjut bahkan pada sel pasca-mitotik yang tidak membelah, berbeda dengan DNA nuklir, yang disalin sekali per fase S. Molekul terus-menerus disintesis dan didegradasi, dan perputaran ini menjaga jumlah salinan dalam kisaran yang diatur. Karena molekul individu direplikasi dan dipartisi tanpa pembukuan ketat siklus sel, proporsi relatif genom varian dan tipe liar dapat bergeser, memungkinkan heteroplasmi berubah seiring waktu.

Clinical relevance

Protein yang mereplikasi dan memelihara mtDNA itu sendiri dikodekan di nukleus, dan cacat pada mesin ini dapat mengganggu integritas atau kuantitas genom mitokondria, menghubungkan genetika nuklir dengan fungsi mitokondria. Memahami replikasi dan perputaran yang santai juga menjelaskan bagaimana proporsi genom mutan dapat berubah dalam jaringan sepanjang hidup. Entri ini adalah latar belakang pendidikan tentang pemeliharaan genom dan tidak memberikan panduan klinis atau terapeutik.

History

Mekanisme replikasi mtDNA hewan sebagian besar dikarakterisasi melalui karya David Clayton dan rekan-rekannya dari tahun 1970-an dan seterusnya, yang memetakan asal-usul daerah kontrol dan menjelaskan replikasi yang dimulai pada loop perpindahan, yang dirangkum dalam ulasan tahun 1982-nya. Urutan lengkap manusia pada tahun 1981 menempatkan elemen pengatur ini pada peta. Pekerjaan molekuler selanjutnya mengidentifikasi protein pemeliharaan inti, polimerase gamma, helikase TWINKLE, dan protein pengikat untai tunggal mitokondria, serta menyempurnakan bagaimana jumlah salinan dan perputaran diatur, seperti yang disintesis dalam ulasan modern.

Key figures

• David A. Clayton
• Nils-Göran Larsson
• Maria Falkenberg
• Claes M. Gustafsson

Seminal works

• clayton-1982
• anderson-1981

Frequently asked questions

Apakah DNA mitokondria disalin hanya ketika sel membelah?

Tidak. Berbeda dengan DNA nuklir, mtDNA direplikasi secara terus-menerus dan independen dari siklus sel, sehingga disalin dan didegradasi bahkan pada sel yang tidak membelah seperti neuron dan serat otot.

Enzim apa yang menyalin DNA mitokondria?

Polimerase DNA mitokondria gamma yang khusus mensintesis untai mtDNA baru, bekerja dengan helikase yang membuka untai templat dan protein pengikat untai tunggal, semuanya dikodekan oleh gen nuklir dan diimpor ke dalam mitokondria.