MITOCHONDRIALE DNA: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN, VERERBUNG, KRANKHEITEN - BIOLOGIE - 2025

Die mitochondriale DNA ist ein kleines zirkuläres DNA-Molekül, das sich in eukaryotischen Zellen innerhalb dieser Organellen befindet. Dieses kleine Genom kodiert für eine sehr begrenzte Anzahl von Proteinen und Aminosäuren in den Mitochondrien. Es ist üblich, den Namen "mitochondriale DNA" zu finden, der in vielen Lehrbüchern und wissenschaftlichen Artikeln als "mtDNA" oder in englischer Sprache "mtDNA" abgekürzt wird.

Mitochondrien sind essentielle Organellen für eukaryotische Zellen, da sie dafür verantwortlich sind, die Energie aus in Form von Zuckern verzehrten Nahrungsmitteln in eine Energieform umzuwandeln, die Zellen nutzen können (z. B. ATP).

Mitochondriale DNA (Quelle: Nationales Institut für Humangenomforschung, über Wikimedia Commons)

Alle Zellen in eukaryotischen Organismen enthalten mindestens ein Mitochondrium. Es gibt jedoch Zellen wie Herzmuskelzellen und Skelettmuskelzellen, die Hunderte von Mitochondrien enthalten können.

Mitochondrien haben einen eigenen, vom Zellapparat unabhängigen Proteinsyntheseapparat mit Ribosomen, Transfer-RNAs und einer Aminoacyl-RNA-Transferase-Synthetase aus dem Inneren der Organelle; obwohl ribosomale RNA kleiner ist als die der Zelle, in der sie sich befinden.

Eine solche Vorrichtung zeigt eine große Ähnlichkeit mit der Vorrichtung der Proteinsynthese von Bakterien. Darüber hinaus ist dieser Apparat wie bei Prokaryoten äußerst empfindlich gegenüber Antibiotika, unterscheidet sich jedoch stark von dem der Proteinsynthese in eukaryotischen Zellen.

Der Begriff "Mitochondrien" wurde von Benda Ende des 12. Jahrhunderts eingeführt und die Theorie der "Endosymbiose" ist über ihre Herkunft am weitesten verbreitet. Dies wurde 1967 von Lynn Margulis im Journal of Theoretical Biology veröffentlicht.

Die Theorie der "Endosymbiose" legt den Ursprung der Mitochondrien vor Millionen von Jahren fest. Es wird vermutet, dass ein zellulärer Vorfahr eukaryotischer Zellen einen bakterienähnlichen Organismus „verschlungen“ und in seinen Stoffwechsel eingebaut hat, der später zu dem wurde, was wir heute als Mitochondrien kennen.

Eigenschaften

Bei Säugetieren ist im Allgemeinen das gesamte Genom, das mitochondriale DNA umfasst, in einem zirkulären Chromosom von 15.000 bis 16.000 Nukleotidpaaren oder, was gleich ist, von 15 bis 16 Kb (Kilobasen) organisiert.

In den meisten Mitochondrien können Sie mehrere Kopien des mitochondrialen Chromosoms erhalten. In menschlichen Körperzellen (nichtgeschlechtlichen Zellen) finden sich häufig mindestens 100 Kopien des mitochondrialen Chromosoms.

In höheren Pflanzen (Angiospermen) ist die mitochondriale DNA normalerweise viel größer, beispielsweise kann in der Maispflanze das kreisförmige Chromosom der mitochondrialen DNA bis zu 570 Kb messen.

Mitochondriale DNA nimmt etwa 1% der gesamten DNA der somatischen Zellen der meisten Wirbeltiere ein. Es ist eine hochkonservierte DNA im Tierreich, im Gegensatz zu dem, was in Pflanzen beobachtet wird, wo es eine große Vielfalt gibt.

In einigen "riesigen" eukaryotischen Zellen wie Eizellen (weiblichen Geschlechtszellen) von Säugetieren oder in Zellen, die viele Mitochondrien enthalten, kann mitochondriale DNA bis zu 1/3 der gesamten zellulären DNA ausmachen.

Mitochondriale DNA hat einige andere Eigenschaften als nukleare DNA: Sie hat eine unterschiedliche Dichte und ein unterschiedliches Verhältnis von Guanin-Cytosin (GC) - und Adenin-Thymin (AT) -Basenpaaren.

Die GC-Basenpaardichte in mitochondrialer DNA beträgt 1,68 g / cm³ und der Gehalt beträgt 21%; während in Kern-DNA diese Dichte 1,68 g / cm³ beträgt und der Gehalt etwa 40% beträgt.

Eigenschaften

Mitochondriale DNA besitzt mindestens 37 Gene, die für die normale Funktion der Mitochondrien essentiell sind. Von diesen 37 besitzen 13 die Information, die an der oxidativen Phosphorylierung beteiligten Enzyme herzustellen.

Diese 13 Gene kodieren für 13 Polypeptidkomponenten der Enzymkomplexe, die zur Elektronentransportkette gehören und sich in der inneren Membran der Mitochondrien befinden.

Trotz der 13 Polypeptide, die mitochondriale DNA zur Elektronentransportkette beiträgt, besteht sie aus mehr als 100 verschiedenen Polypeptiden. Diese 13 Komponenten sind jedoch für die oxidative Phosphorylierung und die Elektronentransportkette essentiell.

Schema der mitochondrialen DNA (Quelle: Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)

Unter den 13 Polypeptiden, die aus mitochondrialer DNA synthetisiert werden, fallen die I-, II- und III-Untereinheiten des Cytochrom-C-Oxidase-Komplexes und die VI-Untereinheit von ATPase-Pumpen auf, die in die innere Membran der Organelle eingebettet sind.

Die Informationen, die für die Synthese der übrigen Komponenten der Mitochondrien erforderlich sind, werden von Kerngenen kodiert. Diese werden wie die übrigen zellulären Proteine ​​im Zytoplasma synthetisiert und dank spezifischer Signale in die Mitochondrien importiert.

Bei der oxidativen Phosphorylierung werden Sauerstoff- und Zuckeratome wie Glucose zur Synthese oder Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet, der chemischen Spezies, die von allen Zellen als Energiequelle verwendet wird.

Die verbleibenden mitochondrialen Gene enthalten die Anweisungen zur Synthese von Transfer-RNAs (tRNAs), ribosomalen RNAs und dem Enzym Aminoacyl-RNA-Transferase-Synthetase (tRNA), das für die Proteinsynthese in den Mitochondrien erforderlich ist.

Erbe

Bis vor relativ kurzer Zeit wurde angenommen, dass mitochondriale DNA ausschließlich durch mütterliche Vererbung, dh durch direkten Abstieg von der Mutter, übertragen wurde.

Ein Artikel, der im Januar 2019 von Shiyu Luo und Kollegen in der Zeitschrift Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika (PNAS) veröffentlicht wurde, stellte jedoch fest, dass in seltenen Fällen mitochondriale DNA von beiden Elternteilen geerbt werden kann vom Vater wie von der Mutter.

Vor der Veröffentlichung dieses Artikels war es für Wissenschaftler eine Tatsache, dass das Y-Chromosom und die mitochondriale DNA intakt vom Vater bzw. der Mutter an die Nachkommen vererbt wurden.

Die "intakte" Vererbung der Gene des Y-Chromosoms der mitochondrialen Gene impliziert, dass das genetische Material keine Veränderungen durch Rekombination erfährt und im Laufe der Jahre nur aufgrund spontaner Mutationen variiert, so dass die Variation recht gering ist .

Aus diesem Grund werden die meisten Populationsmobilisierungsstudien auf der Grundlage dieser Gene durchgeführt, da es beispielsweise für Genetiker einfach ist, Stammbäume unter Verwendung mitochondrialer DNA zu konstruieren.

Ein Großteil der menschlichen Geschichte wurde durch die genetische Geschichte der mitochondrialen DNA rekonstruiert. Viele Geschäftshäuser bieten sogar an, die familiäre Bindung jeder lebenden Person mit ihren Vorfahren durch Techniken zu klären, die diese Eigenschaften untersuchen.

Reproduzieren

Das erste Modell der mitochondrialen DNA-Replikation wurde 1972 von Vinograd und Mitarbeitern vorgeschlagen. Dieses Modell ist mit einigen Änderungen noch gültig. Im Allgemeinen basiert das Modell auf einer Einwegreplikation, die an zwei verschiedenen Replikationsursprüngen beginnt.

Wissenschaftler klassifizieren das mitochondriale Chromosom in zwei verschiedene Ketten, die schwere Kette H oder OH aus dem englischen "schweren" und die leichte Kette L oder OL aus dem englischen "leichten". Diese werden identifiziert und befinden sich in den beiden nicht zugeordneten offenen Leserahmen (URF) auf dem mitochondrialen Chromosom.

Die Replikation des mitochondrialen Genoms beginnt in der schweren Kette (OH) und setzt sich in einer Richtung fort, bis die volle Länge der leichten Kette (OL) erreicht ist. Anschließend werden Proteine, die als "mitochondriale einzelsträngige DNA-Bindungsproteine" bezeichnet werden, gebunden, um die Kette zu schützen, die als "Eltern" oder "Matrize" fungiert.

Die Enzyme, die für die Trennung verantwortlich sind, damit die Replikation stattfinden kann (Replikakosom), gelangen in die Lichtbande (OL) und es wird eine Schleifenstruktur gebildet, die die Bindung von mitochondrialen einzelsträngigen DNA-Bindungsproteinen blockiert.

In dieser Schleife bindet die mitochondriale RNA-Polymerase und die Synthese des neuen Primers beginnt. Der Übergang zur Synthese der schweren Kette (OH) erfolgt 25 Nukleotide später.

Gleich zum Zeitpunkt des Übergangs zur schweren Kette (OH) wird die mitochondriale RNA-Polymerase am 3'-Ende durch mitochondriale replikative DNA-Polymerase ersetzt, wo die Replikation anfänglich begann.

Schließlich verläuft die Synthese beider Ketten, sowohl schwerer (OH) als auch leichter (OL), kontinuierlich, bis zwei vollständige zirkuläre Moleküle doppelsträngiger (doppelsträngiger) DNA gebildet sind.

Verwandte Krankheiten

Es gibt viele Krankheiten, die mit einer Fehlfunktion der mitochondrialen DNA zusammenhängen. Die meisten werden durch Mutationen verursacht, die die im Genom enthaltene Sequenz oder Information beschädigen.

Hörverlust im Verhältnis zum zunehmenden Alter

Eine der am besten untersuchten Krankheiten, die in direktem Zusammenhang mit Veränderungen im mitochondrialen DNA-Genom steht, ist der Hörverlust aufgrund des zunehmenden Alters.

Dieser Zustand ist das Produkt genetischer, umweltbedingter und Lebensstilfaktoren. Mit zunehmendem Alter akkumuliert mitochondriale DNA schädliche Mutationen wie Deletionen, Translokationen, Inversionen und mehr.

Schäden an mitochondrialer DNA werden hauptsächlich durch die Anreicherung reaktiver Sauerstoffspezies verursacht. Diese sind Nebenprodukte der Energieerzeugung in den Mitochondrien.

Mitochondriale DNA ist besonders anfällig für Schäden, da sie kein Reparatursystem besitzt. Änderungen, die durch reaktive Sauerstoffspezies verursacht werden, schädigen daher die mitochondriale DNA und führen zu Fehlfunktionen der Organelle, was zum Zelltod führt.

Die Zellen des Innenohrs haben einen hohen Energiebedarf. Diese Forderung macht sie besonders empfindlich gegenüber mitochondrialen DNA-Schäden. Diese Schäden können die Funktion des Innenohrs irreversibel verändern und zu einem völligen Hörverlust führen.

Krebs

Mitochondriale DNA ist besonders empfindlich gegenüber somatischen Mutationen, Mutationen, die nicht von den Eltern geerbt werden. Diese Arten von Mutationen treten in der DNA einiger Zellen während des gesamten Lebens eines Menschen auf.

Es gibt Hinweise darauf, dass mitochondriale DNA-Veränderungen infolge somatischer Mutationen mit bestimmten Krebsarten, Tumoren in den Brustdrüsen, im Dickdarm, im Magen, in der Leber und in der Niere in Verbindung stehen.

Mutationen in der mitochondrialen DNA wurden auch mit Blutkrebsarten wie Leukämie und Lymphomen (Krebs der Zellen des Immunsystems) in Verbindung gebracht.

Spezialisten verbinden somatische Mutationen in mitochondrialer DNA mit einer Zunahme der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies, Faktoren, die die Schädigung mitochondrialer DNA erhöhen und zu einer mangelnden Kontrolle des Zellwachstums führen.

Es ist wenig darüber bekannt, wie diese Mutationen die unkontrollierte Zellteilung von Zellen erhöhen und wie sie sich als Krebstumoren entwickeln.

Syndrom des zyklischen Erbrechens

Es wird angenommen, dass einige für die Kindheit typische Fälle von zyklischem Erbrechen mit Mutationen in der mitochondrialen DNA zusammenhängen. Diese Mutationen verursachen wiederkehrende Episoden von Übelkeit, Erbrechen und Müdigkeit oder Lethargie.

Wissenschaftler assoziieren diese Erbrechen mit der Tatsache, dass Mitochondrien mit beschädigter mitochondrialer DNA bestimmte Zellen des autonomen Nervensystems beeinflussen können und Funktionen wie Herzfrequenz, Blutdruck und Verdauung beeinflussen.

Trotz dieser Assoziationen ist noch nicht klar, wie Veränderungen in der mitochondrialen DNA wiederkehrende Episoden des zyklischen Erbrechen-Syndroms verursachen.

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