دی‌ان‌ای میتوکندریایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
فارسی English
Mitochondrial DNA.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی که mtDNA را اشکار می‌کند (A) Cytoplasmic section after immunogold labelling with anti-DNA; gold particles marking mtDNA are found near the mitochondrial membrane. (B) Whole mount view of cytoplasm after extraction with CSK buffer and immunogold labelling with anti-DNA; mtDNA (marked by gold particles) resists extraction. From Iborra et al. , 2004.[۱]

دی‌ان‌ای میتوکندریایی (mtDNA) نوعی DNA است که در میتوکندری سلول‌های یوکاریوتی یافت می‌شود. کار میتوکندری تبدیل انرژی شیمیایی غذا به آدنوزین تری فسفات یعنی صورتی از انرژی است که برای سلول قابل استفاده باشد.

رونویسی[ویرایش]

mtDNA به وسیلهٔ پلیمراز گاما رونویسی می‌شود که به وسیلهٔ ژنوم هسته‌ای کد می‌شود. رونویسی DNA میتوکندریایی الزاماً با تقسیم میتوکندری همراه نیست به همین دلیل ممکن است در یک میتوکندری چندین نسخه از ژنوم به طور جداگانه موجود باشد که به ان کنکاتامر (concatamer) می‌گویند.[۲]

خاستگاه[ویرایش]

به نظر می‌رسد DNA میتوکندریایی و هسته دارای ویژگیهای تکاملی متفاوتی باشند. mtDNAها از ژنوم‌های حلقوی باکتری‌هایی که توسط اجداد اولیهٔ سلول‌های یوکاریوتی امروزی در بر گرفته شده‌اند مشتق شده‌اند. این نظریه به نظریهٔ اندوسیمبیوتیک (endosymbiotic theory) معروف است. به طور تقریبی هر میتوکندری شامل ۲-۱۰ کپی از mtDNA می‌باشد.[۳] در سلول‌های ارگانیسم‌های موجود اکثریت بسیار بزرگی از پروتئین‌های موجود در میتوکندری به وسیلهٔ DNA هسته کد می‌شوند اما تصور می‌شود ژن‌های برخی از انها دارای ریشهٔ باکتریایی هستند که در طی تکامل به سلول‌های یوکاریوتی منتقل شده‌اند.

وراثت میتوکندریایی[ویرایش]

در اغلب پر سلولی‌ها mtDNA از مادر به ارث می‌رسد. مکانیزم‌های این توارث عبارتست از یک رقیق سازی ساده (یک سلول تخم شامل ۱۰۰هزار تا یک میلیون مولکول mtDNA است در صورتی که یک اسپرم تنها شامل ۱۰۰ تا هزار عدد از انهاست)، کاهش mtDNA اسپرمی در یک تخم بارور شده و حداقل در تعداد کمی از ارگانیسم‌ها ناکامی mtDNAهای اسپرمی در ورود به تخم. فارغ از اینکه چه مکانیسمی موثر واقع شود این الگوی تک والدی بودن mtDNA در اکثر جانوران، گیاهان و قارچ‌ها دیده شده‌است.

وراثت ماده[ویرایش]

در تولید مثل جنسیتی میتوکندری به طور انحصاری از مادر به ارث می‌رسد. میتوکندری موجود در اسپرم پستانداران معمولاً پس از لقاح توسط سلول تخم نابود می‌شود. علاوه بر این بیشتر میتوکندری در پایهٔ دم اسپرم حضور دارد که به منظور به پیش راندن اسپرم استفاده می‌شود و گاهی اوقات دم در ضمن فرایند لقاح نابود می‌شود. در ۱۹۹۹ این نتیجه بدست امد که میتوکندری اسپرمی والدی (parental) توسط اوبیکوتین (ubiquitin) علامت گذاری می‌شود تا در اینده برای انهدام درون جنینی انتخاب شود.[۴] برخی تکنیک‌های لقاح مصنوعی به ویژه تزریق یک اسپرم به درون یک oocyte ممکن است با این فرایند تداخل کند. این حقیقت که mtDNA از طریق مادری به ارث می‌رسد محققان را قادر می‌سازد تا سلسلهٔ نسل مادری را در طی زمان ردیابی کنند (به طریق مشابه DNAهای کروموزوم Y که از طریق پدری به ارث می‌رسد برای دنبال کردن سلسلهٔ نسل پدری بکار می‌رود). این کار در انسانها به وسیلهٔ انالیز توالی یک یا چند بخش از نواحی کنترل (HVR۱ یا HVR2) بس متغیر (hypervariable)، مولکول mtDNA و در قالب یک تست DNA نسب شناسانه انجام می‌شود.HVR۱ از حدود ۴۴۰ جفت باز (Base pair) تشکیل شده‌است. این ۴۴۰ جفت باز با نواحی کنترل افراد دیگر (اشخاص دیگر یا منابع موجود در دیتابیس) به منظور مشخص کردن شجرهٔ مادری مقایسه می‌شوند. vila et al نتایج تحقیقات نسب شناسی نوعی سگ بومی را تا درندگان منتشر کرده‌است.[۵] مفهوم حوای میتوکندریایی نیز براساس تحلیلی مشابه بنا شد تا از طریق ردیابی نسل در طول زمان ریشهٔ اولیهٔ بشر را کشف کند. از انجا که mtDNA به طور کامل بکر نمانده و نرخ جهش سریعی دارد، می‌تواند برای بررسی روابط تکاملی ارگانیسم‌ها مفید واقع شود. در واقع می‌توان توالی mtDNAها را در گونه‌های مختلف مشخص کرد و با مقایسهٔ انها یک درخت تکاملی ترسیم کرد. از انجا که mtDNA از مادر به فرزند منتقل می‌شود می‌توان از ان به عنوان ابزاری مفید در تحقیقات نسب شناسی برای پیدا کردن اجداد مادری فرد استفاده کرد.

وراثت نر[ویرایش]

مشاهده شده که میتوکندری در بعضی از گونه‌ها مانند صدف‌ها می‌تواند از پدر به ارث برسد[۶].[۷] همچنین وراثت پدری میتوکندری در برخی حشرات چون مگس میوه[۸]، زنبور عسل[۹] و برخی جیرجیرک ها[۱۰] نیز گزارش شده‌است. شواهد حاکی از این هستند که توارث پدری میتوکندری در میان پستانداران بسیار نادر است. به طور مشخص نتایج ثبت شده‌ای در مورد موش‌ها موجودند که میتوکندری‌های پدری پس زده شده‌اند.[۱۱][۱۲] این مساله در میان گوسفندان[۱۳] و همچنین گاوهای شبیه سازی شده یافت شده است[۱۴] و همچنین در یک مورد خاص انسانی.[۱۵]

ساختار[ویرایش]

در انسان‌ها و احتمالاً به طور کلی در همهٔ پرسلولی‌ها در هر سلول بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کپی متفاوت از mtDNA موجود است (سلول تخم و اسپرم استثنا هستند). در پستانداران هر مولکول mtDNA حلقوی ۲رشته‌ای شامل ۱۵۰۰۰-۱۷۰۰۰ جفت باز می‌باشد. ۲رشتهٔ mtDNA بر اساس محتوی هسته ایشان با هم متفاوت می‌شوند به طوریکه رشتهٔ با گوانین بیشتر رشتهٔ سنگین تر و رشته با سیتوزین بیشتر با عنوان رشتهٔ سبک یاد می‌شوند. در یک مجموع ۳۷ ژنی، رشتهٔ سنگین ۲۸ ژن و رشتهٔ سبک ۹ ژن را کد می‌کند. در این ۳۷ ژن ۱۳ تا برای پروتئین‌ها (پلی پپتیدها)، ۲۲تا برای tRNAها و دو تا برای زیربخش‌های کوچک و بزرگ rRNAها هستند. این الگو همچنین در میان اکثر پرسلولی‌ها مشاهده شده‌است. با این وجود در برخی از موارد یکی یا چند مورد از ۳۷ ژن غایب اند و محدودهٔ اندازهٔ mtDNAها بزرگتر است. حتی در میان گیاهان و قارچ‌ها تغییرات بزرگتری در محتوای ژنتیکی و اندازهٔ mtDNAها مشاهده شده‌است. همچنین به نظر می‌رسد یک زیرمجموعه از ژن‌ها وجود دارد که در همهٔ سلول‌های یوکاریوتی حضور دارد (به استثنای بعضی موارد که بطور کلی میتوکندری ندارند). برخی گونه‌های گیاهی مقادیر بسیار زیادی mtDNA دارند (۲۵۰۰۰۰۰ جفت باز در مولکول mtDNA) با این وجود به طرز غیرمنتظره‌ای حتی این mtDNAهای بزرگ تعداد و انواع برابری ژن در مقایسه با گیاهان با mtDNA کوچکتر دارند.[۱۶]

ژن‌ها[ویرایش]

زنجیرهٔ انتقال[ویرایش]

ژنوم میتوکندریایی شامل ۱۳ ژن کد کنندهٔ پروتئین است. بسیاری از این ژن‌ها زنجیرهٔ انتقال را کد می‌کنند.

دسته ها ژن ها
NADH dehydrogenase
(complex I)
MT-ND۱, MT-ND۲, MT-ND۳, MT-ND۴, MT-ND4L, MT-ND۵, MT-ND۶
Coenzyme Q - cytochrome c reductase/Cytochrome b
(complex III)
MT-CYB
سیتوکروم اکسیداز
(complex IV)
MT-CO۱, MT-CO۲, MT-CO۳
ای‌تی‌پی سینتیز MT-ATP۶, MT-ATP۸

rRNA[ویرایش]

rRNA میتوکندریایی توسط MT-RNR۱ (۱۲s) و MT-RNR۲ (۱۶s) کد می‌شود.

tRNA[ویرایش]

ژن‌های زیر tRNA را کد می‌کنند:

اسید آمینه ۳-Letter ۱-Letter MT DNA
آلانین Ala A MT-TA
آرژینین Arg R MT-TR
آسپاراژین Asn N MT-TN
اسید آسپارتیک Asp D MT-TD
Cysteine Cys C MT-TC
اسید گلوتامیک Glu E MT-TE
گلوتامین Gln Q MT-TQ
گلیسین Gly G MT-TG
هیستیدین His H MT-TH
ایزولوسین Ile I MT-TI
لوسین Leu L MT-TL۱, MT-TL۲
لیزین Lys K MT-TK
متیونین Met M MT-TM
فنیل‌آلانین Phe F MT-TF
پرولین Pro P MT-TP
سرین Ser S MT-TS۱, MT-TS۲
ترئونین Thr T MT-TT
تریپتوفان Trp W MT-TW
تیروزین Tyr Y MT-TY
والین Val V MT-TV

جهش[ویرایش]

نقش mtDNA در برخی از بیماری‌های انسانی

بیماری‌های ژنتیکی[ویرایش]

جهش در mtDNA می‌تواند منجر به شماری از بیماری‌های ژنتیکی مانند exercise intolerance و سندروم کرنز-سایر (kss) شود که می‌تواند سبب کاهش کارکرد قلب، چشم‌ها و حرکات ماهیچه شود. برخی شواهد حاکی از انند که این نقص‌ها نقش اساسی در فرایند پیری دارند.[۱۷]

کاربرد در شناسایی[ویرایش]

در انسان‌ها mtDNA، تعداد ۱۶۵۶۹ بلوک سازندهٔ DNA (جفت‌های باز) را شامل می‌شود[۱۸] که نمایش دهندهٔ بخشی از مجموع DNA موجود در سلول است. برخلاف DNA هسته که از هر دو والد به ارث می‌رسد و در ان ژن‌ها در طی فرایند نوترکیبی چینشی تازه می‌یابند در mtDNA معمولاً از والد به فرزند تغییری مشاهده نمی‌شود. با این وجود mtDNA نیز دچار نوترکیبی می‌شود و این کار را با کپی‌هایی از خودش در یک میتوکندری واحد انجام می‌دهد. به این دلیل و نیز به دلیل اینکه در حیوانات mtDNA نرخ جهش بالاتری نسبت به DNA هسته دارد[۱۹] مولکول mtDNA ابزاری قوی برای ردیابی نسل‌ها از طریق مادری است و از این طریق برای جستجوی اجداد بسیاری از گونه‌ها در طول صدها نسل بکار می‌رود. mtDNA انسان همچنین می‌تواند برای شناسایی افراد بکار رود.[۲۰] مراکز پزشکی قانونی گاهی اوقات مقایسه‌های mtDNA را برای شناسایی بقایای انسانی و به ویژه شناسایی بقایای اسکلت‌های قدیمی به کار می‌برند. گرچه mtDNA برخلاف DNA هسته تنها مختص به یک شخص نیست اما می‌توان با استفاده مشترک از ان و شواهد دیگر (مانند شواهد ریخت شناسی، شواهد مکانی و...) عمل شناسایی را انجام داد. همچنین به عنوان گواهی سلبی نیز عمل می‌کند.[۲۱] بسیاری از محققان معتقدند mtDNA نسبت به DNA هسته‌ای ابزار بهتری برای شناسایی بقایای اسکلت‌های قدیمی است زیرا به دلیل وجود کپی‌های زیاد از mtDNA در سلول احتمال بدست اوردن یک نمونهٔ مفید افزایش می‌یابد و به این خاطر که یک همسانی با یک ارتباط زنده بسیار محتمل است حتی اگر فواصل نسلی مادری زیادی انها را از هم جدا کند. جسد یک تبهکار معروف امریکایی از همین طریق و به وسیلهٔ مقایسهٔ mtDNA او با یکی از اعقاب مسیر دختری وی مشخص شد[۲۲]. همینطور نشخیص هویت برخی از اعضای خاندان سلطنتی روسیه به وسیله مقایسه با اقوام مادری انها.[۲۳] میزان کم جمعیت موثر و نرخ جهش سریع (در حیوانات) mtDNA را برای یافتن روابط ژنتیکی بین افراد و گروه‌ها در یک گونهٔ خاص و همچنین شناسایی و دسته بندی فیلوژنی بین گونه‌های مختلف ابزاری مناسب ساخته‌است البته مشروط به اینکه این گونه‌ها ارتباطشان از هم خیلی دور نباشد. این کار به این شکل صورت می‌گیرد که ابتدا توالی mtDNA افراد یا گونه‌های مختلف مشخص می‌شود و انگاه بر حسب رابطه‌ای که این توالی‌ها با هم دارند شبکه‌ای ایجاد می‌شود که درخت فیلوژنتیک نام دارد.

تاریخچه[ویرایش]

mtDNA در ۱۹۶۰ توسط مارگریت ام. کی. ناس و سیلوان ام. کی ناس و به وسیلهٔ میکروسکوپ الکترونی[۲۴] و همچنین توسط الن هاسلبروز، هانس تاپی و گاتفرید شاتز به وسیلهٔ ازمایش‌های بیوشیمیایی روی بخش‌های به شدت خالص شدهٔ میتوکندری کشف گردید[۲۵].

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Iborra FJ, Kimura H, Cook PR (2004). "The functional organization of mitochondrial genomes in human cells". BMC Biol. 2: 9. DOI:10.1186/1741-7007-2-9. PMC 425603. PMID 15157274. 
  2. مهدوی، موسوی، اردستانی، صادقی زاده، زیست شناسی سلولی مولکولی و مهندسی ژنتیک/ خانه زیست شناسی
  3. Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I (۱۹۹۲). «Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues». Biochim Biophys Acta. ۱۸۳ (۲): ۵۵۳–۵۵۹. PMID ۱۵۵۰۵۶۳
  4. Sutovsky, P. , et al. (Nov. ۲۵, ۱۹۹۹). «Ubiquitin tag for sperm mitochondria». Nature ۴۰۲ (۶۷۶۰): ۳۷۱–۳۷۲. doi:۱۰٫۱۰۳۸/۴۶۴۶۶
  5. Vilà C, Savolainen P, Maldonado JE, and Amorin IR (۱۳ June 1997). «Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog». Science ۲۷۶ (۵۳۱۹): ۱۶۸۷–۱۶۸۹. doi:۱۰٫۱۱۲۶/science.۲۷۶٫۵۳۱۹٫۱۶۸۷. ISSN ۰۰۳۶-۸۰۷۵. PMID ۹۱۸۰۰۷۶
  6. Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM (۱۹۹۱). «Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA». Science ۲۵۱ (۵۰۰۰): ۱۴۸۸–۱۴۹۰. doi:۱۰٫۱۱۲۶/science.۱۶۷۲۴۷۲. PMID 1672472.
  7. Penman, Danny (۲۳ August 2002). «Mitochondria can be inherited from both parents». NewScientist.com. Retrieved ۲۰۰۸-۰۲-۰۵.
  8. Kondo R, Matsuura ET, Chigusa SI (۱۹۹۲). «Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method,». Genet. Res. ۵۹ (۲): ۸۱–۴. doi:۱۰٫۱۰۱۷/S0016672300030287. PMID 1628820.
  9. Meusel MS, Moritz RF (۱۹۹۳). «Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs». Curr. Genet. ۲۴ (۶): ۵۳۹–۴۳. doi:۱۰٫۱۰۰۷/BF00351719. PMID 8299176.
  10. Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C (۲۰۰۷). «Evidence for paternal leakage in hybrid periodical cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.)». PLoS One. ۹ (۹): e892. doi:۱۰٫۱۳۷۱/journal.pone.۰۰۰۰۸۹۲. PMC 1963320. PMID 17849021.
  11. Gyllensten U, Wharton D, Josefsson A, Wilson AC (۱۹۹۱). «Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice». Nature ۳۵۲ (۶۳۳۲): ۲۵۵–۷. doi:۱۰٫۱۰۳۸/۳۵۲۲۵۵a0. PMID 1857422.
  12. Shitara H, Hayashi JI, Takahama S, Kaneda H, Yonekawa H (۱۹۹۸). «Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage». Genetics ۱۴۸ (۲): ۸۵۱–۷. PMC 1459812. PMID 9504930.
  13. Zhao X, Li N, Guo W, et al. (۲۰۰۴). «Further evidence for paternal inheritance of mitochondrial DNA in the sheep (Ovis aries)». Heredity ۹۳ (۴): ۳۹۹–۴۰۳. doi:۱۰٫۱۰۳۸/sj.hdy.۶۸۰۰۵۱۶. PMID 15266295.
  14. Steinborn R, Zakhartchenko V, Jelyazkov J, et al. (۱۹۹۸). «Composition of parental mitochondrial DNA in cloned bovine embryos». FEBS Lett. ۴۲۶ (۳): ۳۵۲–۶. doi:۱۰٫۱۰۱۶/S۰۰۱۴-۵۷۹۳(۹۸)۰۰۳۵۰-۰. PMID 9600265.
  15. Schwartz M, Vissing J (۲۰۰۲). «Paternal inheritance of mitochondrial DNA». N. Engl. J. Med. ۳۴۷ (۸): ۵۷۶–۸۰. doi:۱۰٫۱۰۵۶/NEJMoa020350. PMID 12192017.
  16. Ward BL, Anderson RS, Bendich AJ (September 1981). «The mitochondrial genome is large and variable in a family of plants (cucurbitaceae)». Cell ۲۵ (۳): ۷۹۳–۸۰۳. doi:۱۰٫۱۰۱۶/۰۰۹۲-۸۶۷۴(۸۱)۹۰۱۸۷-۲. PMID 6269758. Retrieved ۲۰۱۰-۰۸-۰۹.
  17. Alexeyev, Mikhail F. ; LeDoux, Susan P. ; Wilson, Glenn L. (July 2004). «Mitochondrial DNA and aging». Clinical Science ۱۰۷ (۴): ۳۵۵–۳۶۴. doi:۱۰٫۱۰۴۲/CS20040148. PMID 15279618.
  18. Reguly B, Jakupciak JP, Parr RL. ۳٫۴ kb mitochondrial genome deletion serves as a surrogate predictive biomarker for prostate cancer in histopathologically benign biopsy cores. Can Urol Assoc J. ۲۰۱۰ Oct;۴(۵):E۱۱۸-۲۲. PubMed PMID: ۲۰۹۴۴۷۸۸; PubMed Central. PMID 2950771.
  19. Robinson K, Creed J, Reguly B, Powell C, Wittock R, Klein D, Maggrah A, Klotz L, Parr RL, Dakubo GD. Accurate prediction of repeat prostate biopsy outcomes by a mitochondrial DNA deletion assay. Prostate Cancer Prostatic Dis. ۲۰۱۰ Jun;۱۳(۲):۱۲۶-۳۱. Epub 2010 Jan 19. PubMed. PMID 20084081.
  20. http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/MitoDNA.html
  21. Brown WM, George M Jr. , Wilson AC (۱۹۷۹). «Rapid evolution of mitochondrial DNA». Proc Natl Acad Sci USA ۷۶ (۴): ۱۹۶۷–۱۹۷۱. doi:۱۰٫۱۰۷۳/pnas.۷۶٫۴.۱۹۶۷. PMC 383514. PMID 109836.
  22. Brown WM (۱۹۸۰). «Polymorphism in mitochondrial DNA of humans as revealed by restriction endonuclease analysis». Proc Natl Acad Sci USA ۷۷ (۶): ۳۶۰۵–۳۶۰۹. doi:۱۰٫۱۰۷۳/pnas.۷۷٫۶.۳۶۰۵. PMC 349666. PMID 6251473.
  23. Paleo-DNA Laboratory - Forensic Services
  24. Gill P, Ivanov PL, Kimpton C, et al. (February 1994). «Identification of the remains of the Romanov family by DNA analysis». Nat. Genet. ۶ (۲): ۱۳۰–۵. doi:۱۰٫۱۰۳۸/ng۰۲۹۴-۱۳۰. PMID 8162066.
  25. The details of the tests were published at Gil et al. , 'Identification of the Remains' The Duke of Fife was officially named as the source of the comparison sample of mtDNA in Ivanov, 'Mitochondrial DNA', p. ۴۱۹.
Electron microscopy reveals mitochondrial DNA in discrete foci. Bars: 200 nm. (A) Cytoplasmic section after immunogold labelling with anti-DNA; gold particles marking mtDNA are found near the mitochondrial membrane. (B) Whole mount view of cytoplasm after extraction with CSK buffer and immunogold labelling with anti-DNA; mtDNA (marked by gold particles) resists extraction. From Iborra et al., 2004.[1]

Mitochondrial DNA (mtDNA or mDNA)[2] is the DNA located in organelles called mitochondria, structures within eukaryotic cells that convert chemical energy from food into a form that cells can use, adenosine triphosphate (ATP). Mitochondrial DNA is only a small portion of the DNA in a eukaryotic cell; most of the DNA can be found in the cell nucleus, and in plants, the chloroplast as well.

In humans, mitochondrial DNA can be assessed as the smallest chromosome coding for 37 genes and containing approximately 16,600 base pairs. Human mitochondrial DNA was the first significant part of the human genome to be sequenced. In most species, including humans, mtDNA is inherited solely from the mother.[3]

The DNA sequence of mtDNA has been determined from a large number of organisms and individuals (including some organisms that are extinct), and the comparison of those DNA sequences represents a mainstay of phylogenetics, in that it allows biologists to elucidate the evolutionary relationships among species. It also permits an examination of the relatedness of populations, and so has become important in anthropology and field biology[clarification needed].

Origin

Nuclear and mitochondrial DNA are thought to be of separate evolutionary origin, with the mtDNA being derived from the circular genomes of the bacteria that were engulfed by the early ancestors of today's eukaryotic cells. This theory is called the endosymbiotic theory. Each mitochondrion is estimated to contain 2-10 mtDNA copies.[4] In the cells of extant organisms, the vast majority of the proteins present in the mitochondria (numbering approximately 1500 different types in mammals) are coded for by nuclear DNA, but the genes for some of them, if not most, are thought to have originally been of bacterial origin, having since been transferred to the eukaryotic nucleus during evolution.

Mitochondrial inheritance

In most multicellular organisms, mtDNA is inherited from the mother (maternally inherited). Mechanisms for this include simple dilution (an egg contains 100,000 to 1,000,000 mtDNA molecules, whereas a sperm contains only 100 to 1000), degradation of sperm mtDNA in the fertilized egg, and, at least in a few organisms, failure of sperm mtDNA to enter the egg. Whatever the mechanism, this single parent (uniparental) pattern of mtDNA inheritance is found in most animals, most plants and in fungi as well.

Female inheritance

In sexual reproduction, mitochondria are normally inherited exclusively from the mother; the mitochondria in mammalian sperm are usually destroyed by the egg cell after fertilization. Also, most mitochondria are present at the base of the sperm's tail, which is used for propelling the sperm cells; sometimes the tail is lost during fertilization. In 1999 it was reported that paternal sperm mitochondria (containing mtDNA) are marked with ubiquitin to select them for later destruction inside the embryo.[5] Some in vitro fertilization techniques, particularly injecting a sperm into an oocyte, may interfere with this.

The fact that mitochondrial DNA is maternally inherited enables genealogical researchers to trace maternal lineage far back in time. (Y-chromosomal DNA, paternally inherited, is used in an analogous way to trace the agnate lineage.) This is accomplished on human mitochondrial DNA by sequencing one or more of the hypervariable control regions (HVR1 or HVR2) of the mitochondrial DNA, as with a genealogical DNA test. HVR1 consists of about 440 base pairs. These 440 base pairs are then compared to the control regions of other individuals (either specific people or subjects in a database) to determine maternal lineage. Most often, the comparison is made to the revised Cambridge Reference Sequence. Vilà et al. have published studies tracing the matrilineal descent of domestic dogs to wolves.[6] The concept of the Mitochondrial Eve is based on the same type of analysis, attempting to discover the origin of humanity by tracking the lineage back in time.

As mtDNA is not highly conserved and has a rapid mutation rate, it is useful for studying the evolutionary relationships—phylogeny—of organisms. Biologists can determine and then compare mtDNA sequences among different species and use the comparisons to build an evolutionary tree for the species examined.

Male inheritance

It has been reported that mitochondria can occasionally be inherited from the father in some species such as mussels.[7][8] Paternally inherited mitochondria have additionally been reported in some insects such as fruit flies,[9] honeybees,[10] and periodical cicadas.[11]

Evidence supports rare instances of male mitochondrial inheritance in some mammals as well. Specifically, documented occurrences exist for mice,[12][13] where the male-inherited mitochondria was subsequently rejected. It has also been found in sheep,[14] and in cloned cattle.[15] It has been found in a single case in a human male.[16]

While many of these cases involve cloned embryos or subsequent rejection of the paternal mitochondria, others document in vivo inheritance and persistence under lab conditions.

Structure

In most multicellular organisms, the mtDNA is organized as a circular, covalently closed, double-stranded DNA. But in many unicellular (e.g. the ciliate Tetrahymena or the green alga Chlamydomonas reinhardtii) and in rare cases also in multicellular organisms (e.g. in some species of Cnidaria) the mtDNA is found as linearly organized DNA. Most of these linear mtDNAs possess telomerase independent telomeres (i.e. the ends of the linear DNA) with different modes of replication, which have made them interesting objects of research, as many of these unicellular organisms with linear mtDNA are known pathogens.[17]

For human mitochondrial DNA (and probably for that of metazoans in general), 100-10,000 separate copies of mtDNA are usually present per cell (egg and sperm cells are exceptions). In mammals, each double-stranded circular mtDNA molecule consists of 15,000-17,000[18] base pairs. The two strands of mtDNA are differentiated by their nucleotide content with the guanine-rich strand referred to as the heavy strand (or H-strand), and the cytosine-rich strand referred to as the light strand (or L-strand). The heavy strand encodes 28 genes, and the light strand encodes 9 genes for a total of 37 genes. Of the 37 genes, 13 are for proteins (polypeptides), 22 are for transfer RNA (tRNA) and two are for the small and large subunits of ribosomal RNA (rRNA). This pattern is also seen among most metazoans, although in some cases one or more of the 37 genes is absent and the mtDNA size range is greater. Even greater variation in mtDNA gene content and size exists among fungi and plants, although there appears to be a core subset of genes that are present in all eukaryotes (except for the few that have no mitochondria at all). Some plant species have enormous mtDNAs (as many as 2,500,000 base pairs per mtDNA molecule) but, surprisingly, even those huge mtDNAs contain the same number and kinds of genes as related plants with much smaller mtDNAs.[19]

The genome of the mitochondrion of the cucumber (Cucumis sativus) consists of three circular chromosomes (lengths 1556, 84 and 45 kilobases), which are entirely or largely autonomous with regard to their replication.[20]

Replication

Mitochondrial DNA is replicated by the DNA polymerase gamma complex which is composed of a 140 kDa catalytic DNA polymerase encoded by the POLG gene and a 55 kDa accessory subunit encoded by the POLG2 gene.[21] The replisome machinery is formed by DNA polymerase, TWINKLE and mitochondrial SSB proteins. TWINKLE is a helicase, which unwinds short stretches of dsDNA in the 5′ to 3′ direction.[22]

During embryogenesis, replication of mtDNA is strictly down-regulated from the fertilized oocyte through the preimplantation embryo.[21] At the blastocyst stage, the onset of mtDNA replication is specific to the cells of the trophectoderm.[21] In contrast, the cells of the inner cell mass restrict mtDNA replication until they receive the signals to differentiate to specific cell types.[21]

Mutations

The involvement of mitochondrial DNA in several human diseases.

Susceptibility

mtDNA is particularly susceptible to reactive oxygen species generated by the respiratory chain due to its proximity. Though mtDNA is packaged by proteins and harbors significant DNA repair capacity, these protective functions are less robust than those operating on nuclear DNA and are therefore thought to contribute to enhanced susceptibility of mtDNA to oxidative damage. The outcome of mutation in mtDNA may be alteration in the coding instructions for some proteins,[23] which may have an effect on organism metabolism and/or fitness.

Genetic illness

Mutations of mitochondrial DNA can lead to a number of illnesses including exercise intolerance and Kearns-Sayre syndrome (KSS), which causes a person to lose full function of heart, eye, and muscle movements. Some evidence suggests that they might be major contributors to the aging process and age-associated pathologies.[24]

Use in disease diagnosis

Recently a mutation in mtDNA has been used to help diagnose prostate cancer in patients with negative prostate biopsy.[25][26]

Relationship with aging

Though the idea is controversial, some evidence suggests a link between aging and mitochondrial genome dysfunction.[27] In essence, mutations in mtDNA upset a careful balance of reactive oxygen species (ROS) production and enzymatic ROS scavenging (by enzymes like superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase and others). There is thought to be a positive feedback loop at work; as mitochondrial DNA accumulates genetic damage caused by free radicals, the mitochondria lose function and leak free radicals into the cytosol. A decrease in mitochondrial function reduces overall metabolic efficiency.[28] Supporting such a link between longevity and mitochondrial DNA, some studies have found correlations between biochemical properties of the mitochondrial DNA and the longevity of species.[29] Extensive research is being conducted to further investigate this link and methods to combat aging. Presently, gene therapy and nutraceutical supplementation are popular areas of ongoing research.[30][31]

Use in identification

Unlike nuclear DNA, which is inherited from both parents and in which genes are rearranged in the process of recombination, there is usually no change in mtDNA from parent to offspring. Although mtDNA also recombines, it does so with copies of itself within the same mitochondrion. Because of this and because the mutation rate of animal mtDNA is higher than that of nuclear DNA,[32] mtDNA is a powerful tool for tracking ancestry through females (matrilineage) and has been used in this role to track the ancestry of many species back hundreds of generations.

The low effective population size and rapid mutation rate (in animals) makes mtDNA useful for assessing genetic relationships of individuals or groups within a species and also for identifying and quantifying the phylogeny (evolutionary relationships; see phylogenetics) among different species, provided they are not too distantly related. To do this, biologists determine and then compare the mtDNA sequences from different individuals or species. Data from the comparisons is used to construct a network of relationships among the sequences, which provides an estimate of the relationships among the individuals or species from which the mtDNAs were taken. This approach has limits that are imposed by the rate of mtDNA sequence change. In animals, the high mutation rate makes mtDNA most useful for comparisons of individuals within species and for comparisons of species that are closely or moderately-closely related, among which the number of sequence differences can be easily counted. As the species become more distantly related, the number of sequence differences becomes very large; changes begin to accumulate on changes until an accurate count becomes impossible.

Mitochondrial DNA was admitted into evidence for the first time ever in 1996 during State of Tennessee v. Paul Ware.[33]

Mitochondrial DNA was first admitted into evidence in California in the successful prosecution of David Westerfield for the 2002 murder of 7-year-old Danielle van Dam in San Diego: it was used for both human and dog identification.[34][35] In fact, this was the first trial in the U.S. to admit canine DNA.[36]

History

Mitochondrial DNA was discovered in the 1960s by Margit M. K. Nass and Sylvan Nass by electron microscopy as DNase-sensitive thread inside mitochondria,[37] and by Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz by biochemical assays on highly purified mitochondrial fractions.[38]

See also

References

  1. ^ Iborra FJ, Kimura H, Cook PR (2004). "The functional organization of mitochondrial genomes in human cells". BMC Biol. 2: 9. doi:10.1186/1741-7007-2-9. PMC 425603. PMID 15157274. 
  2. ^ Sykes, B (10 September 2003). "Mitochondrial DNA and human history". The Human Genome. Wellcome Trust. Retrieved 5 February 2012. 
  3. ^ "Mitochondrial DNA: The Eve Gene". Bradshaw Foundation. Bradshaw Foundation. Retrieved 5 November 2012. 
  4. ^ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I (1992). "Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction, copy number of mitochondrial DNA in rat tissues". Biochim Biophys Acta. 183 (2): 553–559. doi:10.1016/0006-291X(92)90517-O. PMID 1550563. 
  5. ^ Sutovsky, P., et al. (25 Nov 1999). "Ubiquitin tag for sperm mitochondria". Nature 402 (6760): 371–372. doi:10.1038/46466. PMID 10586873.  Discussed in [1].
  6. ^ Vilà C, Savolainen P, Maldonado JE, and Amorin IR (13 June 1997). "Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog". Science 276 (5319): 1687–1689. doi:10.1126/science.276.5319.1687. ISSN 0036-8075. PMID 9180076. 
  7. ^ Hoeh WR, Blakley KH, Brown WM (1991). "Heteroplasmy suggests limited biparental inheritance of Mytilus mitochondrial DNA". Science 251 (5000): 1488–1490. doi:10.1126/science.1672472. PMID 1672472. 
  8. ^ Penman, Danny (23 August 2002). "Mitochondria can be inherited from both parents". NewScientist.com. Retrieved 2008-02-05. 
  9. ^ Kondo R, Matsuura ET, Chigusa SI (1992). "Further observation of paternal transmission of Drosophila mitochondrial DNA by PCR selective amplification method,". Genet. Res. 59 (2): 81–4. doi:10.1017/S0016672300030287. PMID 1628820. 
  10. ^ Meusel MS, Moritz RF (1993). "Transfer of paternal mitochondrial DNA during fertilization of honeybee (Apis mellifera L.) eggs". Curr. Genet. 24 (6): 539–43. doi:10.1007/BF00351719. PMID 8299176. 
  11. ^ Fontaine, KM, Cooley, JR, Simon, C (2007). "Evidence for Paternal Leakage in Hybrid Periodical Cicadas (Hemiptera: Magicicada spp.)". In Crusio, Wim. PLoS One. 9 (9): e892. doi:10.1371/journal.pone.0000892. PMC 1963320. PMID 17849021. 
  12. ^ Gyllensten U, Wharton D, Josefsson A, Wilson AC (1991). "Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice". Nature 352 (6332): 255–7. doi:10.1038/352255a0. PMID 1857422. 
  13. ^ Shitara H, Hayashi JI, Takahama S, Kaneda H, Yonekawa H (1998). "Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage". Genetics 148 (2): 851–7. PMC 1459812. PMID 9504930. 
  14. ^ Zhao X, Li N, Guo W, et al. (2004). "Further evidence for paternal inheritance of mitochondrial DNA in the sheep (Ovis aries)". Heredity 93 (4): 399–403. doi:10.1038/sj.hdy.6800516. PMID 15266295. 
  15. ^ Steinborn R, Zakhartchenko V, Jelyazkov J, et al. (1998). "Composition of parental mitochondrial DNA in cloned bovine embryos". FEBS Lett. 426 (3): 352–6. doi:10.1016/S0014-5793(98)00350-0. PMID 9600265. 
  16. ^ Schwartz M, Vissing J (2002). "Paternal inheritance of mitochondrial DNA". N. Engl. J. Med. 347 (8): 576–80. doi:10.1056/NEJMoa020350. PMID 12192017. 
  17. ^ Nosek J, Tomáska L, Fukuhara H, Suyama Y, Kovác L (May 1998). "Linear mitochondrial genomes: 30 years down the line". Trends Genet. 14 (5): 184–8. doi:10.1016/S0168-9525(98)01443-7. PMID 9613202. 
  18. ^ "Genetic Genealogy". Ramsdale.org. 2003-05-19. doi:10.1371/journal.pbio.1000285. Retrieved 2012-07-14. 
  19. ^ Ward BL, Anderson RS, Bendich AJ (September 1981). "The mitochondrial genome is large and variable in a family of plants (cucurbitaceae)". Cell 25 (3): 793–803. doi:10.1016/0092-8674(81)90187-2. PMID 6269758. Retrieved 2010-08-09. 
  20. ^ Alverson AJ, Rice DW, Dickinson S, Barry K, Palmer JD (2011) Origins and Recombination of the Bacterial-Sized Multichromosomal Mitochondrial Genome of Cucumber. Plant Cell
  21. ^ a b c d John JC, Facucho-Oliveira J, Jiang Y, Kelly R, Salah R (March 2010). "Mitochondrial DNA transmission, replication and inheritance: a journey from the gamete through the embryo and into offspring and embryonic stem cells". Hum Reprod Update 16 (5): 488–509. doi:10.1093/humupd/dmq002. PMID 20231166. 
  22. ^ Jemt E, Farge G, Bäckström S, Holmlund T, Gustafsson CM, Falkenberg M (November 2011). "The mitochondrial DNA helicase TWINKLE can assemble on a closed circular template and support initiation of DNA synthesis". Nucleic Acid Res 39 (21): 9238–9249. doi:10.1093/nar/gkr653. PMC 3241658. PMID 21840902. 
  23. ^ C.Michael Hogan. 2010. Mutation. ed. E.Monosson and C.J.Cleveland. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. Washington DC
  24. ^ Alexeyev, Mikhail F.; Ledoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. (July 2004). "Mitochondrial DNA and aging". Clinical Science 107 (4): 355–364. doi:10.1042/CS20040148. PMID 15279618. 
  25. ^ Reguly B, Jakupciak JP, Parr RL. (2010). "3.4 kb mitochondrial genome deletion serves as a surrogate predictive biomarker for prostate cancer in histopathologically benign biopsy cores". Canadian Urological Association journal = Journal de l'Association des urologues du Canada 4 (5): E118–22. PMC 2950771. PMID 20944788. 
  26. ^ Robinson K, Creed J, Reguly B, Powell C, Wittock R, Klein D, Maggrah A, Klotz L, Parr RL, Dakubo GD. Accurate prediction of repeat prostate biopsy outcomes by a mitochondrial DNA deletion assay. Prostate Cancer Prostatic Dis. 2010 Jun;13(2):126-31. Epub 2010 Jan 19. PubMed (2010). "Accurate prediction of repeat prostate biopsy outcomes by a mitochondrial DNA deletion assay". Prostate cancer and prostatic diseases 13 (2): 126–31. doi:10.1038/pcan.2009.64. PMID 20084081. 
  27. ^ de Grey, Aubrey. "The Mitochondrial Free Radical Theory of Aging" (PDF). Pliki.supernova.com.pl. 
  28. ^ Mark K. Shigenaga, Tory M. Hagen and Bruce N. Ames. "Oxidative Damage and Mitochondrial Decay in Aging". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Vol. 91, No. 23 (8 Nov. 1994), pp. 10771-10778. National Academy of Sciences. 
  29. ^ Aledo JC, Li Y, de Magalhaes JP, Ruiz-Camacho M, Perez-Claros JA (2011). "Mitochondrially encoded methionine is inversely related to longevity in mammals". Aging Cell 10 (2): 198–207. doi:10.1111/j.1474-9726.2010.00657.x. PMID 21108730. 
  30. ^ Carlos K. B. Ferrari. "Functional foods, herbs and nutraceuticals: towards biochemical mechanisms of healthy aging". BIOGERONTOLOGY Volume 5, Number 5 (2004), 275-289, DOI: 10.1007/s10522-004-2566-z. 
  31. ^ Gene therapy for the treatment of mitochondrial DNA disorders. Robert W Taylor. Expert Opinion on Biological Therapy, February 2005, Vol. 5, No. 2 : Pages 183-194
  32. ^ Brown WM, George M Jr., Wilson AC (1979). "Rapid evolution of animal mitochondrial DNA". Proc Natl Acad Sci USA 76 (4): 1967–1971. doi:10.1073/pnas.76.4.1967. PMC 383514. PMID 109836. 
  33. ^ http://www.promega.ca/~/media/files/resources/profiles%20in%20dna/103/mitochondrial%20dna%20state%20of%20tennessee%20v%20paul%20ware.pdf?la=en
  34. ^ "Judge allows DNA in Samantha Runnion case," Associated Press, 18 February 2005. Retrieved 4 April 2007.
  35. ^ Stevenson, C. "Rush to Judgement", CreateSpace, 22 June 2011, pages 281-282 and 287-288, also Appendices 1 and 2.
  36. ^ “Canine DNA Admitted In California Murder Case," Pit Bulletin Legal News, 5 December 2013. Retrieved 21 January, 2014.
  37. ^ NASS MM, NASS S (December 1963). "INTRAMITOCHONDRIAL FIBERS WITH DNA CHARACTERISTICS : I. Fixation and Electron Staining Reactions". The Journal of Cell Biology 19 (3): 593–611. doi:10.1083/jcb.19.3.593. PMC 2106331. PMID 14086138. 
  38. ^ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 at the Institut for Biochemistry at the Medical Faculty of the University of Vienna in Vienna, Austria): "Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria" (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127 - 132.