Структура и организация митохондриальной ДНК

Митохондриальная ДНК человека представляет собой небольшую двухцепочечную кольцевую молекулу размером примерно 16 569 пар оснований, которая кодирует компактный набор генов, необходимых для окислительного фосфорилирования. Ее плотная, почти лишенная интронов организация, две композиционно различные цепи и короткая некодирующая контрольная область отличают ее от гораздо более крупного ядерного генома.

Definition

Митохондриальная ДНК (мтДНК) — это кольцевой, двухцепочечный, многокопийный геном, находящийся в митохондриях; у человека его длина составляет около 16,6 килобаз, и он кодирует 13 полипептидов дыхательной цепи, 22 транспортных РНК и 2 рибосомальные РНК, с одной основной некодирующей контрольной областью.

Scope

Эта тема описывает физическую форму, содержание генов и организационные особенности митохондриального генома млекопитающих, основываясь на полной последовательности человека, определенной в 1981 году. Она охватывает тяжелую и легкую цепи, 37 генов (13 белок-кодирующих, 22 тРНК, 2 рРНК), контрольную область (D-петля) и экономичное, перекрывающееся расположение генома. Она не охватывает механизмы репликации или наследования, которые рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Каков размер и физическая форма митохондриального генома человека?
• Какие гены кодирует мтДНК, а какие митохондриальные белки вместо этого синтезируются из ядерных генов?
• Что отличает тяжелую цепь от легкой цепи?
• Что такое контрольная область (D-петля) и что она содержит?
• Чем генетическая экономия мтДНК отличается от ядерного генома?

Key concepts

• Кольцевой двухцепочечный геном (~16,6 т.п.н.)
• Тяжелая (H) и легкая (L) цепи
• 37 генов: 13 белок-кодирующих, 22 тРНК, 2 рРНК
• Некодирующая контрольная область / D-петля (displacement loop)
• Компактная, почти безинтронная организация с перекрывающимися генами
• Вариантный митохондриальный генетический код
• Пересмотренная Кембриджская референсная последовательность (rCRS)

Mechanisms

Две цепи мтДНК различаются по нуклеотидному составу: богатая гуанином тяжелая цепь и богатая цитозином легкая цепь, свойство, которое исторически использовалось для их разделения и отражено в их различных генных наборах. Полная последовательность человека, определенная в 1981 году (Андерсон и соавт.), показала, что почти весь геном является кодирующим, с генами, примыкающими или слегка перекрывающимися, небольшим количеством интронов или их отсутствием, и некоторыми рамками считывания, разделяющими нуклеотиды; единственным существенным некодирующим сегментом является контрольная область, которая содержит точки начала и промоторы, управляющие репликацией и транскрипцией. Геном кодирует 13 субъединиц комплексов окислительного фосфорилирования, а также 22 тРНК и 2 рРНК, необходимые для их трансляции внутри органеллы, в то время как остальные примерно 1500 митохондриальных белков кодируются в ядре и импортируются. Параллельная последовательность мыши (Бибб и соавт., 1981) подтвердила эту экономичную организацию как общую особенность млекопитающих.

Clinical relevance

Компактная организация мтДНК означает, что даже небольшие изменения последовательности могут нарушать гены, критически важные для энергетического метаболизма, а расположение варианта в кодирующих, тРНК или контрольных областях помогает объяснить биохимические последствия, описанные в клинической генетике. Данная статья описывает структуру генома для образовательной ориентации и не является основой для индивидуальной генетической интерпретации или лечения.

History

Структура мтДНК была определена, когда Андерсон и соавт. опубликовали полную последовательность митохондриального генома человека в 1981 году, что стало одним из первых полностью секвенированных геномов; эта работа установила каталог генов, асимметрию цепей и вариант генетического кода. Одновременное секвенирование мыши подтвердило организацию у млекопитающих. Референсная последовательность впоследствии была скорректирована и теперь используется как пересмотренная Кембриджская референсная последовательность, относительно которой сообщаются варианты человека.

Key figures

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

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

Каков размер митохондриального генома человека и сколько генов он содержит?

Это кольцевая молекула размером около 16 569 пар оснований, кодирующая 37 генов: 13, которые определяют белки дыхательной цепи, 22 транспортные РНК и 2 рибосомальные РНК.

Все ли митохондриальные белки кодируются мтДНК?

Нет. Только 13 полипептидов кодируются мтДНК; подавляющее большинство митохондриальных белков кодируются ядерными генами, синтезируются в цитоплазме и импортируются в органеллу.