โครงสร้างและการจัดระเบียบของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์เป็นโมเลกุลวงกลมสองสายขนาดเล็ก มีขนาดประมาณ 16,569 คู่เบส ซึ่งเข้ารหัสชุดยีนที่จำเป็นต่อกระบวนการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน โครงสร้างที่หนาแน่น แทบไม่มีอินทรอน สายดีเอ็นเอสองสายที่มีองค์ประกอบแตกต่างกัน และบริเวณควบคุมที่ไม่เข้ารหัสสั้นๆ ทำให้ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียแตกต่างจากจีโนมนิวเคลียร์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก

Definition

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย (mtDNA) คือจีโนมวงกลม สองสาย และมีหลายสำเนาที่อยู่ในไมโทคอนเดรีย ในมนุษย์มีขนาดประมาณ 16.6 กิโลเบส และเข้ารหัสโพลีเปปไทด์ในสายโซ่การหายใจ 13 ชนิด, อาร์เอ็นเอถ่ายโอน 22 ชนิด, และอาร์เอ็นเอไรโบโซม 2 ชนิด โดยมีบริเวณควบคุมที่ไม่เข้ารหัสหลักเพียงบริเวณเดียว

Scope

หัวข้อนี้อธิบายถึงรูปแบบทางกายภาพ เนื้อหายีน และลักษณะการจัดระเบียบของจีโนมไมโทคอนเดรียของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยอ้างอิงจากลำดับดีเอ็นเอของมนุษย์ที่สมบูรณ์ซึ่งถูกกำหนดในปี 1981 ครอบคลุมถึงสายหนักและสายเบา ยีน 37 ยีน (13 ยีนเข้ารหัสโปรตีน, 22 tRNA, 2 rRNA) บริเวณควบคุม (D-loop) และการจัดเรียงที่ประหยัดและทับซ้อนกันของจีโนม หัวข้อนี้ไม่ครอบคลุมกลไกการจำลองแบบหรือการถ่ายทอดทางพันธุกรรม ซึ่งจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้องอื่นๆ

Core questions

• จีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์มีขนาดและรูปแบบทางกายภาพอย่างไร?
• ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียเข้ารหัสยีนใดบ้าง และโปรตีนไมโทคอนเดรียใดบ้างที่สร้างจากยีนในนิวเคลียสแทน?
• อะไรคือสิ่งที่ทำให้สายหนักแตกต่างจากสายเบา?
• บริเวณควบคุม (D-loop) คืออะไร และประกอบด้วยอะไรบ้าง?
• ความประหยัดทางพันธุกรรมของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียแตกต่างจากจีโนมนิวเคลียร์อย่างไร?

Key concepts

• จีโนมวงกลมสองสาย (~16.6 kb)
• สายหนัก (H) และสายเบา (L)
• ยีน 37 ยีน: 13 ยีนเข้ารหัสโปรตีน, 22 tRNA, 2 rRNA
• บริเวณควบคุมที่ไม่เข้ารหัส / displacement loop (D-loop)
• โครงสร้างที่กะทัดรัด แทบไม่มีอินทรอน โดยมียีนที่ทับซ้อนกัน
• รหัสพันธุกรรมไมโทคอนเดรียที่แตกต่างกัน
• Revised Cambridge Reference Sequence (rCRS)

Mechanisms

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียทั้งสองสายมีความแตกต่างกันในองค์ประกอบของเบส: สายหนักที่อุดมด้วยกัวนีน และสายเบาที่อุดมด้วยไซโตซีน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เคยถูกนำมาใช้ในการแยกสายทั้งสองออกจากกัน และสะท้อนให้เห็นในชุดยีนที่แตกต่างกัน ลำดับดีเอ็นเอของมนุษย์ที่สมบูรณ์ในปี 1981 (Anderson และคณะ) แสดงให้เห็นว่าเกือบทั้งจีโนมเป็นส่วนที่เข้ารหัส โดยยีนต่างๆ อยู่ติดกันหรือทับซ้อนกันเล็กน้อย มีอินทรอนน้อยหรือไม่พบเลย และกรอบการอ่านบางส่วนใช้ร่วมกันของนิวคลีโอไทด์ ส่วนที่ไม่เข้ารหัสที่สำคัญเพียงส่วนเดียวคือบริเวณควบคุม ซึ่งเป็นที่ตั้งของจุดกำเนิดและโปรโมเตอร์ที่ควบคุมการจำลองแบบและการถอดรหัส จีโนมเข้ารหัสหน่วยย่อย 13 หน่วยของคอมเพล็กซ์ออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน รวมถึง tRNA 22 ชนิด และ rRNA 2 ชนิดที่จำเป็นสำหรับการแปลรหัสภายในออร์แกเนลล์ ในขณะที่โปรตีนไมโทคอนเดรียที่เหลืออีกประมาณ 1,500 ชนิดถูกเข้ารหัสในนิวเคลียสและถูกนำเข้า ลำดับดีเอ็นเอของหนูที่ศึกษาพร้อมกัน (Bibb และคณะ, 1981) ยืนยันว่าการจัดระเบียบที่ประหยัดนี้เป็นลักษณะทั่วไปของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

Clinical relevance

การจัดระเบียบที่กะทัดรัดของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียหมายความว่าแม้การเปลี่ยนแปลงลำดับเพียงเล็กน้อยก็สามารถรบกวนยีนที่สำคัญต่อเมแทบอลิซึมของพลังงานได้ และตำแหน่งของความแปรปรวนภายในบริเวณที่เข้ารหัส, tRNA หรือบริเวณควบคุม ช่วยอธิบายผลกระทบทางชีวเคมีที่อธิบายไว้ในพันธุศาสตร์คลินิก ข้อมูลนี้อธิบายโครงสร้างจีโนมเพื่อการศึกษาและไม่ได้เป็นพื้นฐานสำหรับการตีความทางพันธุกรรมหรือการดูแลรายบุคคล

History

โครงสร้างของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียถูกกำหนดขึ้นเมื่อ Anderson และคณะ ตีพิมพ์ลำดับจีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์ที่สมบูรณ์ในปี 1981 ซึ่งเป็นหนึ่งในจีโนมทั้งหมดแรกๆ ที่เคยถูกจัดลำดับ งานนี้ได้สร้างแคตตาล็อกยีน ความไม่สมมาตรของสายดีเอ็นเอ และรหัสพันธุกรรมที่แตกต่างกัน ลำดับดีเอ็นเอของหนูที่ศึกษาพร้อมกันยืนยันการจัดระเบียบนี้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั้งหมด ลำดับอ้างอิงได้รับการแก้ไขในภายหลังและปัจจุบันถูกใช้เป็น Revised Cambridge Reference Sequence (rCRS) ซึ่งใช้ในการรายงานความแปรปรวนของมนุษย์

Key figures

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

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

จีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์มีขนาดเท่าใดและมียีนกี่ชนิด?

เป็นโมเลกุลวงกลมขนาดประมาณ 16,569 คู่เบส ซึ่งเข้ารหัสยีน 37 ยีน: 13 ยีนที่ระบุโปรตีนในสายโซ่การหายใจ, 22 อาร์เอ็นเอถ่ายโอน, และ 2 อาร์เอ็นเอไรโบโซม

โปรตีนไมโทคอนเดรียทั้งหมดถูกเข้ารหัสโดยดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียหรือไม่?

ไม่ โพลีเปปไทด์เพียง 13 ชนิดเท่านั้นที่ถูกเข้ารหัสโดยดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย โปรตีนไมโทคอนเดรียส่วนใหญ่ถูกเข้ารหัสโดยยีนในนิวเคลียส สร้างขึ้นในไซโตพลาสซึม และถูกนำเข้าสู่ออร์แกเนลล์