미토콘드리아 DNA는 진핵 세포의 소기관이 내부에 위치하는 작은 원형의 DNA 분자이다. 이 작은 게놈은 미토콘드리아 내의 매우 제한된 수의 단백질과 아미노산을 암호화합니다. 많은 교과서 및 과학 기사에서 "mtDNA"또는 영어 "mtDNA"로 축약 된 "미토콘드리아 DNA"라는 이름을 찾는 것이 일반적입니다.
미토콘드리아는 진핵 세포의 필수 세포 기관입니다. 당의 형태로 소비되는 음식의 에너지를 세포가 사용할 수있는 에너지 형태 (예 : ATP)로 변환하는 역할을하기 때문입니다.
미토콘드리아 DNA (출처? 국립 인간 게놈 연구소, Wikimedia Commons를 통해)
진핵 생물의 모든 세포는 내부에 적어도 하나의 미토콘드리아를 가지고 있습니다. 그러나 심장 근육 세포와 골격근 세포와 같은 세포는 내부에 수백 개의 미토콘드리아를 가질 수 있습니다.
미토콘드리아는 세포 기관 내부로부터의 리보솜, 전달 RNA 및 아미노 아실 RNA 전달 효소-합성 효소를 사용하여 세포 장치와 독립적 인 자체 단백질 합성 장치를 가지고 있습니다. 리보솜 RNA는 그것들을 수용하는 세포보다 작습니다.
이러한 장치는 박테리아의 단백질 합성 장치와 매우 유사합니다. 또한 원핵 생물과 마찬가지로이 장치는 항생제에 매우 민감하지만 진핵 세포의 단백질 합성과는 매우 다릅니다.
"미토콘드리아"라는 용어는 12 세기 말 벤다에 의해 도입되었으며 "내 공생"이론이 그 기원에 대해 가장 널리 받아 들여지고 있습니다. 이것은 Journal of Theoretical Biology에 Lynn Margulis가 1967 년에 출판했습니다.
"내 공생"이론은 수백만 년 전 미토콘드리아의 기원을 제시합니다. 진핵 세포의 세포 조상이 박테리아와 유사한 유기체를 신진 대사에 "삼켜 서"통합 시켰으며, 이것은 나중에 우리가 현재 미토콘드리아로 알고있는 것이되었습니다.
형질
포유류에서 일반적으로 미토콘드리아 DNA를 포함하는 전체 게놈은 15,000 ~ 16,000 쌍의 뉴클레오티드 또는 15 ~ 16Kb (킬로 염기)의 원형 염색체로 구성됩니다.
대부분의 미토콘드리아 안에서는 미토콘드리아 염색체의 여러 사본을 얻을 수 있습니다. 인간 체세포 (성세포가 아닌 세포)에서는 미토콘드리아 염색체의 복사본을 최소 100 개 이상 찾는 것이 일반적입니다.
고등 식물 (혈관 식물)에서 미토콘드리아 DNA는 일반적으로 훨씬 더 큽니다. 예를 들어 옥수수 식물에서는 미토콘드리아 DNA의 원형 염색체가 최대 570Kb까지 측정 할 수 있습니다.
미토콘드리아 DNA는 대부분의 척추 동물 체세포 전체 DNA의 약 1 %를 차지합니다. 그것은 다양한 다양성이있는 식물에서 관찰되는 것과는 달리 동물계에서 매우 보존 된 DNA입니다.
포유류의 난자 (여성 성 세포)와 같은 일부 "거대한"진핵 세포 또는 많은 미토콘드리아를 포함하는 세포에서 미토콘드리아 DNA는 전체 세포 DNA의 최대 1/3을 구성 할 수 있습니다.
미토콘드리아 DNA는 핵 DNA와 몇 가지 다른 특성을 가지고 있습니다. 구아닌-사이토 신 (GC)과 아데닌-티민 (AT) 염기쌍의 밀도와 비율이 다릅니다.
미토콘드리아 DNA의 GC 염기쌍 밀도는 1.68g / cm3이고 함량은 21 %입니다. 핵 DNA에서이 밀도는 1.68g / cm3이고 함량은 약 40 %입니다.
풍모
미토콘드리아 DNA는 미토콘드리아의 정상적인 기능에 필수적인 최소한 37 개의 유전자를 가지고 있습니다. 37 명, 13 명은 산화 적 인산화에 관여하는 효소를 생산하는 정보를 가지고 있습니다.
이 13 개의 유전자는 전자 수송 사슬에 속하고 미토콘드리아의 내부 막에 위치한 효소 복합체의 13 개의 폴리펩티드 성분을 암호화합니다.
미토콘드리아 DNA가 전자 수송 사슬에 기여하는 13 개의 폴리펩티드에도 불구하고 100 개가 넘는 다른 폴리펩티드로 구성되어 있습니다. 그러나 이러한 13 가지 성분은 산화 적 인산화와 전자 수송 사슬에 필수적입니다.
미토콘드리아 DNA의 도식 (출처 : Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)
미토콘드리아 DNA에서 합성 된 13 개의 폴리펩티드 중 사이토 크롬 C 산화 효소 복합체의 I, II 및 III 서브 유닛과 세포 기관의 내부 막에 내장 된 ATPase 펌프의 VI 서브 유닛이 두드러집니다.
미토콘드리아를 구성하는 나머지 구성 요소의 합성에 필요한 정보는 핵 유전자에 의해 암호화됩니다. 이들은 나머지 세포 단백질과 마찬가지로 세포질에서 합성되고 특정 신호 덕분에 미토콘드리아로 유입됩니다.
산화 적 인산화에서 포도당과 같은 산소와 당 원자는 모든 세포에서 에너지 원으로 사용되는 화학 종인 아데노신 삼인산 (ATP)의 합성 또는 형성에 사용됩니다.
나머지 미토콘드리아 유전자에는 미토콘드리아 내에서 단백질 합성에 필요한 전달 RNA (tRNA), 리보솜 RNA 및 효소 아미노 아실 -RNA 전달 효소-합성 효소 (tRNA)를 합성하기위한 지침이 있습니다.
세습 재산
비교적 최근까지 미토콘드리아 DNA는 모계 유전, 즉 모체로부터의 직접 혈통을 통해서만 전염되었다고 생각되었습니다.
그러나 2019 년 1 월 미국 국립 과학 아카데미 (PNAS) 저널에 실린 Shiyu Luo와 동료들이 발표 한 기사에 따르면 드물게 미토콘드리아 DNA가 양쪽 부모로부터 유전 될 수 있음을 발견했습니다. 어머니로서 아버지의.
이 기사가 출판되기 전에 과학자들은 Y 염색체와 미토콘드리아 DNA가 각각 아버지와 어머니로부터 자손에게 그대로 유전된다는 사실을 알고있었습니다.
미토콘드리아 유전자의 Y 염색체 유전자의 "온전한"유전은 상기 유전 물질이 재조합에 의해 변화하지 않고 수년 동안 자발적인 돌연변이로 인해 변하기 때문에 변이가 매우 낮음을 의미합니다. .
이 때문에 대부분의 인구 동원 연구는 이러한 유전자를 기반으로 수행됩니다.
인류 역사의 대부분은 미토콘드리아 DNA의 유전 적 역사를 통해 재구성되었습니다. 많은 상업용 주택조차도 이러한 특성을 연구하는 기술을 통해 각 살아있는 사람과 조상과의 가족 유대를 명확하게 제공합니다.
복제
미토콘드리아 DNA 복제의 첫 번째 모델은 1972 년 비노 그라드와 공동 연구자들에 의해 제안되었으며이 모델은 일부 변경 사항이 있지만 여전히 유효합니다. 대체로이 모델은 두 개의 서로 다른 복제 원본에서 시작되는 단방향 복제를 기반으로합니다.
과학자들은 미토콘드리아 염색체를 영어 "무거운"의 중쇄 H 또는 OH와 영어 "경"의 경쇄, L 또는 OL의 두 가지 다른 사슬로 분류합니다. 이들은 미토콘드리아 염색체에있는 두 개의 할당되지 않은 오픈 리딩 프레임 (URF)에서 식별되고 위치합니다.
미토콘드리아 게놈의 복제는 중쇄 (OH)에서 시작하여 경쇄 (OL)의 전체 길이가 생성 될 때까지 한 방향으로 계속됩니다. 그 후, "미토콘드리아 단일 가닥 DNA 결합 단백질"이라고 불리는 단백질이 부착되어 "모체"또는 "주형"으로 기능하는 사슬을 보호합니다.
복제를위한 분리를 담당하는 효소 (replicosome)는 light band (OL)로 전달되고 미토콘드리아 단일 가닥 DNA 결합 단백질의 결합을 차단하는 루프 구조가 형성됩니다.
이 루프에서 미토콘드리아 RNA 중합 효소가 결합하고 새로운 프라이머의 합성이 시작됩니다. 중쇄 (OH) 합성으로의 전환은 나중에 25 개의 뉴클레오티드가 발생합니다.
중쇄 (OH) 로의 전환 시점에 미토콘드리아 RNA 중합 효소는 복제가 처음 시작된 3 '말단에서 미토콘드리아 복제 DNA 중합 효소로 대체됩니다.
마지막으로, 중쇄 (OH)와 경쇄 (OL)의 두 사슬의 합성은 두 개의 완전한 원형 분자의 이중 가닥 (이중 가닥) DNA가 형성 될 때까지 계속 진행됩니다.
관련 질병
미토콘드리아 DNA의 오작동과 관련된 많은 질병이 있습니다. 대부분은 게놈에 포함 된 서열이나 정보를 손상시키는 돌연변이로 인해 발생합니다.
연령 증가에 따른 청력 상실
미토콘드리아 DNA 게놈의 변화와 직접적으로 관련된 가장 잘 연구 된 질병 중 하나는 연령 증가로 인한 청력 상실입니다.
이 상태는 유전 적, 환경 적, 생활 양식 요인의 산물입니다. 나이가 들어감에 따라 미토콘드리아 DNA는 결실, 전좌, 반전 등과 같은 해로운 돌연변이를 축적합니다.
미토콘드리아 DNA에 대한 손상은 주로 활성 산소 종의 축적에 의해 발생하며, 이는 미토콘드리아에서 에너지 생산의 부산물입니다.
미토콘드리아 DNA는 복구 시스템이 없기 때문에 특히 손상에 취약합니다. 따라서 활성 산소 종에 의한 변화는 미토콘드리아 DNA를 손상시키고 세포 기관이 오작동하여 세포 사멸을 유발합니다.
내이의 세포는 에너지에 대한 수요가 높습니다. 이러한 요구는 특히 미토콘드리아 DNA 손상에 민감하게 만듭니다. 이러한 손상은 내이의 기능을 비가 역적으로 변경하여 청력을 완전히 상실 할 수 있습니다.
암
미토콘드리아 DNA는 부모로부터 유전되지 않는 돌연변이 인 체세포 돌연변이에 특히 민감합니다. 이러한 유형의 돌연변이는 일생 동안 일부 세포의 DNA에서 발생합니다.
체세포 돌연변이로 인한 미토콘드리아 DNA 변화가 특정 유형의 암, 유선, 결장, 위, 간 및 신장의 종양과 연결된다는 증거가 있습니다.
미토콘드리아 DNA의 돌연변이는 백혈병, 림프종 (면역계 세포의 암)과 같은 혈액 암과도 관련이 있습니다.
전문가들은 미토콘드리아 DNA의 체세포 돌연변이를 미토콘드리아 DNA 손상을 증가시키고 세포 성장을 통제하지 못하게 만드는 요인 인 반응성 산소 종의 생성 증가와 연결시킵니다.
이러한 돌연변이가 어떻게 세포의 통제되지 않은 세포 분열을 증가시키고 어떻게 암성 종양으로 발전하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.
순환 구토 증후군
어린 시절의 전형적인 주기적 구토 사례는 미토콘드리아 DNA의 돌연변이와 관련이있는 것으로 여겨집니다. 이러한 돌연변이는 메스꺼움, 구토, 피로 또는 무기력을 반복적으로 유발합니다.
과학자들은 이러한 구토 에피소드를 손상된 미토콘드리아 DNA가있는 미토콘드리아가 심박수, 혈압 및 소화와 같은 기능에 영향을 미치는 자율 신경계의 특정 세포에 영향을 미칠 수 있다는 사실과 연관시킵니다.
이러한 연관성에도 불구하고, 미토콘드리아 DNA의 변화가 어떻게 순환 구토 증후군의 재발을 유발하는지는 아직 명확하지 않습니다.
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