Sao chép và luân chuyển DNA ty thể

DNA ty thể được sao chép và phân hủy liên tục, độc lập với chu kỳ tế bào nhân, bởi một bộ enzyme ty thể chuyên biệt. Quá trình sao chép và luân chuyển liên tục, linh hoạt này duy trì số lượng bản sao mtDNA của tế bào và là cơ sở giải thích tại sao tỷ lệ bộ gen đột biến và bộ gen kiểu dại có thể thay đổi theo thời gian ngay cả ở các tế bào không phân chia.

Definition

Sao chép và luân chuyển DNA ty thể là quá trình sao chép và phân hủy mtDNA liên tục, độc lập với chu kỳ tế bào, được thực hiện bởi các protein sao chép và duy trì ty thể, nhằm duy trì và điều hòa số lượng phân tử mtDNA trên mỗi tế bào.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách bộ gen ty thể được sao chép và duy trì: vùng điều hòa là nơi khởi đầu sao chép và các promoter, bộ máy sao chép cốt lõi (DNA polymerase ty thể, helicase và protein gắn kết sợi đơn), khái niệm sao chép linh hoạt không gắn liền với chu kỳ tế bào, và sự luân chuyển liên tục điều hòa số lượng bản sao. Chủ đề này không đề cập đến nội dung gen của bộ gen (một chủ đề cấu trúc liên quan) hoặc hậu quả của lỗi sao chép gây bệnh (một chủ đề đột biến), ngoại trừ việc đề cập thoáng qua.

Core questions

• DNA ty thể được sao chép như thế nào, và quá trình sao chép và phiên mã bắt đầu từ đâu?
• Những protein nào tạo nên bộ máy sao chép ty thể?
• Sao chép 'linh hoạt' có nghĩa là gì và nó khác với sao chép DNA nhân như thế nào?
• Số lượng bản sao mtDNA được duy trì như thế nào thông qua sự luân chuyển liên tục?
• Tại sao quá trình sao chép độc lập với chu kỳ tế bào cho phép dị thể thay đổi theo thời gian?

Key concepts

• Các điểm khởi đầu và promoter của vùng điều hòa (vòng D)
• Sao chép linh hoạt, không gắn liền với chu kỳ tế bào
• DNA polymerase gamma ty thể (POLG)
• Helicase TWINKLE và protein gắn kết sợi đơn ty thể
• Tổng hợp và phân hủy liên tục (luân chuyển)
• Điều hòa số lượng bản sao mtDNA
• Phân tách sao chép của bộ gen

Mechanisms

Quá trình sao chép mtDNA của động vật bắt đầu trong vùng điều hòa không mã hóa và được điều khiển bởi một bộ máy chuyên biệt nhỏ chứ không phải bộ máy sao chép nhân: DNA polymerase gamma ty thể tổng hợp các sợi mới, một helicase (TWINKLE) tháo xoắn khuôn mẫu, và một protein gắn kết sợi đơn ổn định sợi lộ ra, với quá trình phiên mã cung cấp các đoạn mồi (Clayton, 1982; Gustafsson và cộng sự, 2016). Trình tự hoàn chỉnh của người (Anderson và cộng sự, 1981) đã xác định vị trí vùng điều hòa và các yếu tố điều hòa của nó. Quan trọng là, quá trình sao chép mtDNA là 'linh hoạt', nó diễn ra trong suốt chu kỳ tế bào và tiếp tục ngay cả ở các tế bào không phân chia, sau nguyên phân, trái ngược với DNA nhân, chỉ được sao chép một lần trong pha S. Các phân tử được tổng hợp và phân hủy liên tục, và sự luân chuyển này giữ số lượng bản sao trong một phạm vi được điều hòa. Bởi vì các phân tử riêng lẻ được sao chép và phân chia mà không có sự kiểm soát chặt chẽ của chu kỳ tế bào, tỷ lệ tương đối của các bộ gen biến thể và kiểu dại có thể thay đổi, cho phép dị thể (heteroplasmy) thay đổi theo thời gian.

Clinical relevance

Các protein sao chép và duy trì mtDNA bản thân chúng được mã hóa trong nhân, và các khiếm khuyết trong bộ máy này có thể làm tổn hại tính toàn vẹn hoặc số lượng của bộ gen ty thể, liên kết di truyền nhân với chức năng ty thể. Việc hiểu rõ quá trình sao chép và luân chuyển linh hoạt cũng giải thích cách tỷ lệ bộ gen đột biến có thể thay đổi trong các mô theo thời gian. Mục này cung cấp kiến thức nền tảng về duy trì bộ gen và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng hoặc điều trị.

History

Cơ chế sao chép mtDNA của động vật được đặc trưng phần lớn thông qua công trình của David Clayton và các cộng sự từ những năm 1970 trở đi, những người đã lập bản đồ các điểm khởi đầu vùng điều hòa và mô tả quá trình sao chép bắt đầu từ vòng dịch chuyển, được tóm tắt trong bài đánh giá năm 1982 của ông. Trình tự hoàn chỉnh của người vào năm 1981 đã đặt các yếu tố điều hòa này lên bản đồ. Các công trình phân tử sau này đã xác định các protein duy trì cốt lõi, polymerase gamma, helicase TWINKLE và protein gắn kết sợi đơn ty thể, và tinh chỉnh cách số lượng bản sao và sự luân chuyển được điều hòa, như được tổng hợp trong các bài đánh giá hiện đại.

Key figures

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

Seminal works

• clayton-1982
• anderson-1981

Frequently asked questions

DNA ty thể có được sao chép chỉ khi tế bào phân chia không?

Không. Không giống như DNA nhân, mtDNA được sao chép liên tục và độc lập với chu kỳ tế bào, vì vậy nó được sao chép và phân hủy ngay cả ở các tế bào không phân chia như tế bào thần kinh và sợi cơ.

Enzyme nào sao chép DNA ty thể?

DNA polymerase gamma ty thể chuyên biệt tổng hợp các sợi mtDNA mới, hoạt động cùng với một helicase tháo xoắn khuôn mẫu và một protein gắn kết sợi đơn, tất cả đều được mã hóa bởi các gen nhân và được nhập vào ty thể.