mtDNA, mitokondriaalinen DNA

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

mtDNA periytyy äidin puolelta . Huomaan päivän uutisista Tiede.fi , että tuosta ikivanhasta muumiosta oli tutkittu mtDNA.

Tästä lähteestä löytyy väitöskirja Gaspari M. vuodelta 2006. Hän tutki mitokondriaalista genomia (mtDNA).
http://diss.kib.ki.se/index/

Suomensin asiaa vähän, mutta se ei taida mahtua palstalle.
Kuva sellaisesta mitokndriaalisesta genomista löytyy netistä.
http://www.andaman.org/BOOK/chapter34/34-mtdna.gif

Kommentit (1)

Vierailija

(Suomennosta Gasparin väitöskirjasta. mtDNA.sta on paljon tuntematonta vielä).
Sis.
Mitokondriaalinen DNA. Väitöskirja vuodelta 2006.
LÄHDE: Gaspari Martina (2006)
Kuva selvittää eri käsitteitä
Muuta terminologiaa
M Gasparin abstraktista
Kaksi uutta tekijää TFB1M ja TFB2M löydetty
RNA muotoja saatu esiin mtDNA:sta koeputkessa ensi kerran
Löydetty promoottorin spesifisyyteen vaikuttavat tekijät POLMRT ja TFAM
Proteiini, joka ylläpitää mitokondriaalista DNA:ta ja kontrolloi kopioluvun, TFAM
Transkription vahva päättäjäelementti CSB II.
Replikaatio alkaa kahdesta kohtaa ketjujen asymmetrialla.
Replikaatiokytkentä ( leading strand; lagging strand)
Transkription eri vaiheet ja niiden tuntematon vaihde
Pohdintaa RNA ja DNA transitiosta
Silmukka, joka kontrolloi mitokondriaalista mtDNA.ta: D-loop, displacement loop.
Pääasiallinen kontrollikohta mtDNA esiintymälle on tämä D-loop.
Päätöksen eli terminaation kontrollikohta tuntematon
mtDNA omaa kaksi koodaamatonta aluetta
Kaikki muut mitokondriaproteiinit koodaa tuma

LÄHDE: Gaspari Martina (2006)
Molecular mechanism for transcription in mammalian mitochondria. Stockholm 2006 Karolinska Institutet ISBN 91-7357-012-5

(Gasparin kirja esittää mukavan kuvan (Taanman 1999) mitokondriaalisesta genomista, jossa on kaikille aminohapoille tRNA koodin paikka merkattu aminohappojen kirjainkoodilla ja muutamia muita kuten D-loop, ND6, Cytb, ND4, ND4L, ND3, COIII, ATPaasi6, ATPaasi8, COII, COI, mtTERM, 16SrRNA, 12SrRNA).

Gsparin kirjan KUVA muistuttaa lähinnä tätä ”mtDNA, image”, jonka löytää netistä:
http://www.andaman.org/BOOK/chapter34/34-mtdna.gif

Mutta lisänä on ITH1 ( Initiation of Transcription H-strand H1 ja H2)
ITL ( Initiation of transcription L-strand). H1 ja H2 ketjujen alkukohta ja ja L säikeen replikaation alkukohta.
Sekä origin(alku) , josta H-säie replikoituu (OH) ja origin (alku), josta L-säie replikoituu (OL). ovat merkattu.
Myös DNA-synteesin suuntaus on isolla nuolella merkattu renkaaseen..Myös RNA-synteesin suunta on merkattu pienillä nuolilla.
Mitokondriaalisen transkription terminaatiokohta on merkattu esiin mtTERM.
Kirja esittää myös lähemmän kuvan D-loop alueesta, joka kontrolloi replikaatiota ja transkriptiota.
Muuta terminologiaa:
mtDNA, Mitochondrial DNA = mitokondriaalinen DNA
bp; base pair = emäspari
TFB1M, TFB2M; Mitochondrial transcription factors= mitokondriaalinen kasvutekijä B1 ja B2, joiden identifioiminen on tehnyt täysin mahdolliseksi mtDNA:n transkription koeputkessa.
mRNA, messenger RNA = lähetti-RNA
tRNA; transfer RNA = kuljettaja-RNA
rRNA; ribosomal RNA =ribosomaalinen RNA
Replication, replikaatio = DNA toistaa itseään
Transcription, transkriptio = DNA koodi muutetaan RNA-koodiksi.

Transitiokohta on se, missä RNA muuttua DNA:ksi.
POLRMT, Mitochondrial RNA polymerase =mitokondrian RNA-polymeraasi entsyymi.
TFAM, Mitochondrial transcription factor A = mitokondrian transkriptiotekijä A.
LSP Light strand promoter= kevyen ketjun promoottori
HSP1 Heavy strand promoter = raskaan kejtun promoottori 1
( jolla on vastuu Phe-tRNA ja Val-tRNA, mRNA, rRNAsynteeseistä )
HSP2 Heavy strand promoter =raskaan ketjun promoottori 2 ( transcription termination in Leu-tRNA geenissä, downstream= alavirtaan rRNAgeenistä)
( mRNA ja rRNA geenien transkription erilaisuus saadaan H-ketjujen kahdella alternatiivilla alulla aikaan).

M Gasparin abstraktista

”Hiiren mitokondrian genomi on rengasmuotoinenn kaksoisketjuinen mtDNA ja siinä on 16 300 bp, emäsparia ( base pairs), kun taas ihmisellä on 16 600 bp. Mitokondriaalinen DNA koodaa 13 kpl niistä noin 90 eri proteiinista, joita esiintyy lämminveristen mitokondrian hengitysketjussa. Muita osia koodaa solutuman (nukleaariset) geenit ja ne proteiinit ovat tuotetavaraa mitokondrioitten puolelle.
Mitokondrion genomin geenit (37kpl) ovat 13 mRNA-geeniä , 22 tRNA-geeniä ja 2 rRNA-geeniä, jotka kaikki ovat välttämättömiä oksidatiiviselle fosforylaatiolle. Sentakia mtDNA:ssa replikaatio ja transkriptio ovat välttämättömiä prosesseja hengitysketjun normaalifunktiolle ja eukaryoottisen solun aineenvaihdunnalle. Mitokondrio on kehossa solun energialaitos!

”mtDNA-rakenteen L, kevyt ketju on guaniini(G) köyhä. Se koodaa 8 kpl. tRNA-geeniä ja yhden polypeptidin, ND6 nimeltään.
H -ketju, raskas ketju, on guaniini(G)rikas: Suurin osa geneettistä informaatiota on raskaassa ketjussa, kuten molemmat rRNA geenit. 14 tRNA-geeniä. 12 polypeptidiä.”

Kaksi uutta tekijää TFB1M ja TFB2M löydetty
Tässä väitöskirjassa luonnehdittiin mtDNA:n transkriptiokoneistoa nisäkkäillä. Kaksi uutta mitokondriaalista transkriptiotekijää pystyttiin identifioimaan:
Toisen nimenä on B1 (TFB1M) ja toisen nimenä on B2 (TFB2M). Ihmisen TB1/2M on yleinen molekyyli. TFB1M muistuttaa rRNA-dimetyylitransferaaseja rakenteeltaan.

RNA muotoja on saatu esiin mtDNA:sta koeputkessa ensi kerran
Tässä työssä on pystytty rekonstruktuoimaan koeputkiolosuhteissa (in vitro) nisäkkään mitokondriaalinen transkriptio käyttämällä vain puhdistettuja rekombinanttiproteiineja. Tutkijat osoittivat, että joko TFB1M tai TFB2M voi pitää yllä promoottorispesifistä mtDNA-transkriptiota koe-putkessa, jos niihin liittyy mitokondriaaliseen initiaatioon(aloitukseen) tarvittavien RNA-polymeraasientsyymin (POLRMT) ja mitokondriaalisen transkriptiotekijän A (TFAM) interaktio( vuorovaikutus) kahteen sekvenssi-elementtiin, spesifiseen distaaliseen promoottorielementtiin (DPE) ja spesifiseen proksimaaliseen promoottorielementtiin(PPE).
(TFAM sitoutuminen DPA-elementtiin aiheuttaa promoottorikohdan oikenemista.
POLMRT hallitsee sekvenssispesifistä interaktiota PPR-elementin kanssa)

Tämä tutkijaryhmä ja muutkin ryhmät arvelevat, että TFB1M ja TFB2M omaavat eri tehtäviä. TFB2M saattaa olla primäärinen transkriptiotekijä ja TFB1M voi olla metyylitransferaasi.
Monelta metazooalta löytyi TFB1M ja TFB2M homologeja. Niihin kuului Drosophila melanogaster (banaanikärpänen), ja se osoittaa TFBM-geenin duplikaatiotapahtumaa varhaisen evoluution vaiheessa.”

Löydetty promoottorin spesifisyyteen vaikuttavat tekijät POLMRT ja TFAM
Identifioitaessa nisäkkäistä mtDNA promoottorin tunnistuksen molekulaarista mekanismia koeputkessa, käytettiin rekombinanttia transkriptiojärjestelmää. Hiirestä ja ihmisen soluista koostunut transkriptiokoneisto ei tunnista muitten lajien kevytketjupromoottoria (LSP). Vaihtamalla transkriptiotekijöitä hiiren ja ihmisen transkriptiokoneiston kesken osoitettiin, että polymeraasi POLMRT ja transkriptiotekijä TFAM olivat promoottorin spesifiteetin hallitsevat tekijät. Mutta päinvastoin kasvutekijä TFB2M ei vaikuttanut näiden kahden nisäkäsjärjestelmän sekvenssispesifisyyteen.
Mitokondrian genomi mtDNA omaa vain kaksi promoottoria LSP ja HSP.
LSP vain tuottaa primerin , josta tulee mtDNA replikaatiota. LSP transkriptio tuottaa 2 päätuotetta, täyspitkiä transkripteja ja sitten lyhyitä abortiivisia 4 nukleotidin transkripteja
Mitokondrian genomi mtDNA on polyploidinen. Joka solussa on useita geenikopioita.
Genomi sijaitsee siroittautuneena mitokondrian matriksiin lähelle sisäkalvoa useimmiten ja näkyy pysyttelevän konsentroituneena NUKLEOIDIKSI. Joka nukleoidilla on useita genomeja ja joka solulla on useita nukleoideja, 5-20).”

Proteiini, joka ylläpitää mitokondriaalista DNA:ta ja kontrolloi sen kopioluvun. TFAM

TFAM, Mitochondrial transcription factor A, mitokondrian transkriptiotekijä (A
high mobility group box protein) (Koe-eläimellä .tfam-geenin puutos johtaa mtDNA katoon, koska mtDNA priming jää tapahtumatta.)
TFAM on kaksifunktioinen proteiini. Proteiini sitoutuu ilman sekvenssispesifisyyttä koko mtDNA-molekyyliin. Näin se osaltaan vaikuttaa , että muodostuu NUKLEOIDI, mikä on tiivis, mitokondriaalin matrixissa, sisäaineessa, sijaitseva mtDNA-proteiinikompleksi.
TFAM on myös välttämätön transkriptiotekijä, joka vuorovaikuttaa sekvenssispesifisesti mitokondriaalisiin promoottorielementteihin (LSP ja HSP).
Tutkijat selvittivät TFAM liikaesiintymän tai sen puuttumisen funktionaaliset seuraamukset HeLa-soluista. Tehtiin johtopäätös, että mtDNA-määrä korreloi suoraan TFAM-määrän kanssa eikä mitokondriaalisen transkription tason kanssa. Nämä löydöt osoittivat, että TFAM omaa mtDNA:ta ylläpitävää funktiota ja genomikopioitten lukumäärän kontrollia, mikä ei riipu sen roolista transkriptiofaktorina.”

Transkription vahva päättäjäelementti CSB II.

Lopuksi osoitettiin ihmisen rekombinantilla mitokondriaalisella transkriptiojärjestelmällä, että konservatiivinen jakso CSB II ( conserved sequence box II) toimii sekvenssistä riippuvana transkription päättävänä elementtinä in vitro ( koeputkiolosuhteissa).
Mitokondriassa transkriptio kehkeyttää RNA –primereita, joita tarvitaan aloittamaan
johtavan DNA:n synteesiä, sen H-ketjun alkua (initiation, Origin of H ).
Tutkijat havaitsivat, että keveästä ketjusta ja promoottorista (LSP) käsin tapahtuva transkriptio pätkiytyi prematurana ( epäkypsänä) ollen kriittisesti riippuvainen tarkasta CSB II-sekvenssistä, promoottorista alavirtaan päin.
3´prim- päädystä lähtevät hieman prematurasti päättyneet transkriptit sattuivat johtavan DNA-ketjun (”leading DNA”) replikaatiossa ”RNA-DNA-transitio” kohdille .hieman CSB II-kohdasta alavirtaan. ”

(CSBI, CSBII ja CSBIII ( konservatiiviset sekvenssikohdat) ovat kolme tärkeää kohtaa ja tarkentavat primäärien transkriptien pilkkoutumisia. CSB II lisää RNA-DNA-hybridi vaiheen stabiliteettia. Transitiota RNA-primerista uudelleen syntetisoiduksi DNA:ksi eli RNA-DNA-transitiokohtaa on kartoitettu raskaan ketjun origon alueelle OH, joko CSB II sekvenssiin tai lähelle sitä. Jotkut tutkijat ovat sanoneet löytäneensä muita kohtia mtDNA:n alkamiselle.
CSBI joka sijaitse CSB II:sta juuri alavirtaan voi toimia keräyspaikkana DNA-replikaatiokonesatolle)
”Nämä löydöt viittaavat siihen että primer- muodostusta ohjaa spesifiset mtDNA sekvenssielementit ja sen takia ne edustavat uutta mallia mtDNA:n replikaation alkuun (initiation) nisäkässoluissa. ”

Replikaatio alkaa kahdesta kohtaa ketjujen asymmetrialla.
Ihmisen mitokondriaalisessa genomissa (mtDNA) on kaksi replikaation alkukohtaa , -origoa: raskaan ketjun replikaation alkukohta (OH) ja kevyen ketjun replikaation alkukohta (OL).
Mitokondriaalisen DNA:n replikaation ” ketjuasymmetriamallin” mukaan DNA-synteesi tapahtuu jatkuvana molemmilla ketjuilla ”ketjuasymmetriamallissa”

Replikaatiokytkentä ( leading strand; lagging strand)
Raskaan ketjun alkukohdasta (IT H) (OH-:sta) ( raskaan säikeen promoottorilla, H-strand promoter, HSP, avulla) DNA-synteesi on yksisuuntainen ja etenee siirtäen syrjään (displacing) entistä ketjua. Kun tämän johtavan ketjun (leading strand -DNA) synteesi on saavuttanut 2/3 genomista , aktivoituu kevyen ketjun alkukohta (OL) ja DNA-synteesi alkaa vastakkaiseen suunntaan ( lagging strand DNA).
Konventionaalisten kaksiketjuisten duplex mtDNA replikaatiovälituotteitten esiintyminen elektroforeettisissa analyyseissä osoittaa ”coupled leading and lagging strand DNA synthesis”- kytkeytynyttä molemman säikeen synteesiä)


Transkription eri vaiheet ja niiden tuntematon vaihde

(a) Mitokondriaaliset transkriptiot mtDNA keveän (LSP) ja raskaan ketjun (HSP) promoottorista käsin tuottavat melkein koko mt-genomin pituudelta transkriptejä, joista sitten prosessoituu esiin yksilöllisiä mitokondriaalisia mRNA-ja tRNA- molekyylejä.

(b) Keveän ketjun alkukohdasta (ITL) promoottorin (LSP) avulla lähtee myös sellainen transkriptio, joka tuottaa primer- muodostumisen, jota tarvitaan mtDNA:n replikaation aloitukseen (initiation) raskaasta ketjusta (OH) ja RNA:ta, joka liittyy vastikään syntyneeseen H-ketjuun

Vielä ei ole selvitetty. mikä on se switch, vaihde, (a) genomin pituuden mitalta tapahtuvalla transkriptiolla ( josta tulee mRNA ja tRNA, proteiinien translaatiotekijät ) ja taas (b) primerin muodostuksella, mikä sitten voi johtaa mtDNA replikaatioon,joka tekee lisää mtDNA geenimateriaalia,.

Mielenkiintoista on että 3´-päädyn varhain prematurasti päättyvät transkriptit sattuvat mtDNA:n kontrollialueessa juuri CSB II alueesta alavirtaan ( asemaan 300-282). Tämä asema on sama kuin pääasiallinen RNA-DNA transitiokohta ihmisen mitokondrian D-loopissa. ”Mahtava keskinäinen kirjeenvaihto” TRANSKRIPTION TERMINAATION (päättämisen ), ja DNA-REPLIKAATION INITIAATION (aloittamisen) välillä johti tutkijat olettamaan, että asiaa johtaa sekvenssispesifinen DNA-elementti ihmismitokondriassa ilman, että Rnaasi MPR osallistuu siihen.

Pohdintaa RNA ja DNA transitiosta

Transkriptiossa DNA.sta tulee RNA kopio.
Replikaatiossa DNA:sta tulee DNA kopio.

Miten mitokondriaalinen genomi vaihtaa funktion transkriptiosta replikaatioon?
Ihmisen mitokondriaalisenTRANSKRIPTION ja DNA-REPLIKAATION koneisto ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan samankaltaisia kuin bakteriofagilla.
CSB I joka sijaitse CSB II:sta juuri alavirtaan voi toimia kuormauspaikkana DNA-replikaatiokoneistolle, koska tämän sekvenssielementin on havaittu ottavan single strand muoto kehossa.

Siihen asti kunnes RNA -DNA transitiot (siirtymäkohdat) on voitu osoittaa, ei voida sulkea pois mahdollisuutta, että niitä muita mtDNA synteesin alkukohtia muodostuu prosessoitumalla, esim. RNA-primerin irrottamisella samanaikaisesti uudisssyntyneen mtDNA-jakson kanssa.
Ei ole myöskään osoitettu vielä, tapahtuuko DNA-hydrolyysi läheltä RNA-primeria tyypillisenä mtDNA:lle, mutta nisäkkään mtDNA:n replikaatiossa voi olla exonukleaasin tapaan toimivalla Rnaasi H:lla tärkeää osuutta, koska sen puutteessa mitokondrian DNA vähenee johtaen apoptoottiseen solukuolemaan.

Moni päätöskoodi ( termination codons) syntyy posttransskriptionaalisesti prosessoidun mRNA:n polyadenylaatiolla (-AAAA..._)

tRNA-geenit ovat hajallaan muitten geenien joukossa ja niillä on tärkeä rooli RNA:n prosessoimisessa. Ne toimivat signaaleina prosessoivalle entsyymeille

Silmukka, joka kontrolloi mitokondriaalista mtDNA.ta: D-loop, displacement loop.
D-loop sijaitsee PHE tRNA ja PRO-tRNA välillä.(Phe, fenylalaniini,Pro, proliini)
Alue on 1 kb, erikoinen kolmesäikeinenkohta, jossa on lyhyt 500-700 nukleotidin (nt) säie (7SDNA), joka on kevyelle ketjulle komplementaarinen ja raskaan ketjun asemesta
Pääasiallinen kontrollikohta mtDNA esiintymälle on tämä D-loop.
Siinä sijaitsee replikaation “leading strand origo”OH alkukohta.
Siinä on myös molempien ketjujen transcription ”major promoters”
D-loopissa on myös kohta TAS, termination associated sequences, päättämisen liittyvät jaksot.

Päätöksen eli terminaation kontrollikohta tuntematon
täytyy olla olemassa. H2 ja L säikeille, mutta niitten paikkaa ei vielä tiedetä eikä mekanismia .koeputkessakaan. Eikä ole voitu osoittaa H2 ketjun initiaatiokohtaakaan.
Ehkä on ain yksi alkukohta molempien ketjujen initiaatiolla LSP ja HSP.
H1 transkriptiosta voi tulla mRNA ja rRNA ja RNA/mRNA transkriptien suhde voisi kontrolloida terminaatiokohdan Molemmille promoottoreille on ylävirrassa (upstream) säätelijä elementti.(RE). Ja siihen kiinnittyy transkriptiotekija (Transcription factor), jota sanotaan nimellä mTFA tai TFAM., mikä on välttämätön mitokondriantranskription alkamiselle ( initiation) mtDNA:n ylläpidon suhteen.

mtDNA omaa kaksi koodaamatonta aluetta

On vain kaksi pitkää ei-koodaavaa kohtaa mtDNA:ssa, ja niihin sijoittuu useimmat tunnetut säätelyfunktiot.(regulation). Siis ne eivät aiheuta proteiinien tuottoa, mutta säätelevät funktiota. Introneita ei nisäkkään mtDNA sisällä.

Kaikki muut mitokondriaproteiinit koodaa solun tuma.
Ne syntyvät sytoplasmassa tavalliseen tapaan ja ovat tuotetavaraa mitokondriaan. Siihen tarvitaan ”targeting sequence”, joista jotkut pilkkoutuvat osiinsa vasta mitokondriaan kulkeutumisen jälkeen. (Shadel 1997).

2007-01-18 02:43 suom./ 31.10.2008.

Uusimmat

Suosituimmat