DNA MITOCONDRIALE: CARATTERISTICHE, FUNZIONI, EREDITARIETÀ, MALATTIE - BIOLOGIA - 2024

Il DNA mitocondriale è una piccola molecola di DNA circolare che si trova all'interno di questi organelli nelle cellule eucariotiche. Questo piccolo genoma codifica per un numero molto limitato di proteine ​​e amminoacidi all'interno dei mitocondri. È comune trovare il nome "DNA mitocondriale" abbreviato in molti libri di testo e articoli scientifici come "mtDNA" o in inglese "mtDNA".

I mitocondri sono organelli essenziali per le cellule eucariotiche, poiché sono responsabili della trasformazione dell'energia del cibo consumato sotto forma di zuccheri in una forma di energia che le cellule possono utilizzare (ATP, per esempio).

DNA mitocondriale (fonte? National Human Genome Research Institute, tramite Wikimedia Commons)

Tutte le cellule negli organismi eucarioti hanno almeno un mitocondrio al loro interno. Tuttavia, ci sono cellule come le cellule del muscolo cardiaco e le cellule del muscolo scheletrico che possono contenere centinaia di mitocondri al loro interno.

I mitocondri hanno un proprio apparato di sintesi proteica indipendente dall'apparato cellulare, con ribosomi, RNA di trasferimento e un aminoacil RNA transferasi-sintetasi dall'interno dell'organello; sebbene l'RNA ribosomiale sia più piccolo di quello della cellula che li ospita.

Un tale apparato mostra una grande somiglianza con l'apparato di sintesi proteica dei batteri. Inoltre, come nei procarioti, questo apparato è estremamente sensibile agli antibiotici, ma molto diverso da quello della sintesi proteica nelle cellule eucariotiche.

Il termine "mitocondri" fu introdotto da Benda alla fine del XII secolo e la teoria dell '"endosimbiosi" è la più ampiamente accettata sulla sua origine. Questo è stato pubblicato nel 1967 da Lynn Margulis, nel Journal of Theoretical Biology.

La teoria dell '"endosimbiosi" pone l'origine dei mitocondri milioni di anni fa. Si teorizza che un antenato cellulare delle cellule eucariotiche "inghiottì" e incorporò un organismo simile a un batterio nel suo metabolismo, che in seguito divenne ciò che oggi conosciamo come mitocondri.

caratteristiche

Nei mammiferi, generalmente l'intero genoma che comprende il DNA mitocondriale è organizzato in un cromosoma circolare da 15.000 a 16.000 paia di nucleotidi o, ciò che è lo stesso, da 15 a 16 Kb (kilobasi).

Nella maggior parte dei mitocondri è possibile ottenere più copie del cromosoma mitocondriale. Nelle cellule somatiche umane (cellule non sessuali) è comune trovare almeno 100 copie del cromosoma mitocondriale.

Nelle piante superiori (angiosperme) il DNA mitocondriale è solitamente molto più grande, ad esempio, nella pianta di mais il cromosoma circolare del DNA mitocondriale può misurare fino a 570 Kb.

Il DNA mitocondriale occupa circa l'1% del DNA totale delle cellule somatiche della maggior parte degli animali vertebrati. È un DNA altamente conservato nel regno animale, contrariamente a quanto si osserva nelle piante, dove c'è un'ampia diversità.

In alcune cellule eucariotiche "giganti" come gli ovuli (cellule sessuali femminili) di mammiferi o in cellule contenenti molti mitocondri, il DNA mitocondriale può costituire fino a 1/3 del DNA cellulare totale.

Il DNA mitocondriale ha alcune proprietà diverse dal DNA nucleare: ha una densità e un rapporto diversi tra coppie di basi guanina-citosina (GC) e adenina-timina (AT).

La densità della coppia di basi GC nel DNA mitocondriale è 1,68 g / cm3 e il contenuto è del 21%; mentre nel DNA nucleare questa densità è di 1,68 g / cm3 e il contenuto è intorno al 40%.

Caratteristiche

Il DNA mitocondriale possiede almeno 37 geni essenziali per il normale funzionamento dei mitocondri. Di questi 37, 13 possiedono le informazioni per produrre gli enzimi coinvolti nella fosforilazione ossidativa.

Questi 13 geni codificano per 13 componenti polipeptidici dei complessi enzimatici che appartengono alla catena di trasporto degli elettroni e si trovano nella membrana interna dei mitocondri.

Nonostante i 13 polipeptidi che il DNA mitocondriale contribuisce alla catena di trasporto degli elettroni, è composto da più di 100 diversi polipeptidi. Tuttavia, questi 13 componenti sono essenziali per la fosforilazione ossidativa e la catena di trasporto degli elettroni.

Schema del DNA mitocondriale (Fonte: Mikibc ~ commonswiki, tramite Wikimedia Commons)

Tra i 13 polipeptidi sintetizzati dal DNA mitocondriale, spiccano le subunità I, II e III del complesso citocromo C ossidasi e la subunità VI delle pompe ATPasi incorporate nella membrana interna dell'organello.

Le informazioni necessarie per la sintesi del resto dei componenti che compongono i mitocondri sono codificate da geni nucleari. Queste vengono sintetizzate nel citoplasma come il resto delle proteine ​​cellulari e poi importate nei mitocondri grazie a segnali specifici.

Nella fosforilazione ossidativa, l'ossigeno e gli atomi di zucchero come il glucosio vengono utilizzati per la sintesi o la formazione di adenosina trifosfato (ATP), che è la specie chimica utilizzata da tutte le cellule come fonte di energia.

I restanti geni mitocondriali hanno le istruzioni per sintetizzare gli RNA di trasferimento (tRNA), gli RNA ribosomiali e l'enzima aminoacil-RNA transferasi-sintetasi (tRNA), necessario per la sintesi proteica all'interno dei mitocondri.

Eredità

Fino a tempi relativamente recenti si pensava che il DNA mitocondriale fosse trasmesso esclusivamente attraverso l'eredità materna, cioè per discendenza diretta dalla madre.

Tuttavia, un articolo pubblicato da Shiyu Luo e colleghi sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) nel gennaio 2019, ha rilevato che in rari casi il DNA mitocondriale può essere ereditato da entrambi i genitori, entrambi del padre come della madre.

Prima della pubblicazione di questo articolo, era un fatto per gli scienziati che il cromosoma Y e il DNA mitocondriale erano stati ereditati intatti dal padre e dalla madre, rispettivamente, alla prole.

L'eredità “intatta” dei geni del cromosoma Y dei geni mitocondriali implica che detto materiale genetico non subisca modificazioni per ricombinazione e, negli anni, variano solo per mutazioni spontanee, quindi la variazione è piuttosto bassa .

Per questo motivo, la maggior parte degli studi sulla mobilitazione della popolazione vengono condotti sulla base di questi geni, poiché, ad esempio, è facile per i genetisti costruire alberi genealogici utilizzando il DNA mitocondriale.

Gran parte della storia umana è stata ricostruita attraverso la storia genetica del DNA mitocondriale. Molte case d'affari si offrono persino di chiarire il legame familiare di ogni persona vivente con i propri antenati attraverso tecniche che studiano queste caratteristiche.

replicazione

Il primo modello di replicazione del DNA mitocondriale fu proposto nel 1972 da Vinograd e collaboratori e questo modello è ancora valido, con alcune modifiche. In generale, il modello si basa su una replica unidirezionale che inizia da due diverse origini di replica.

Gli scienziati classificano il cromosoma mitocondriale in due diverse catene, la catena pesante, H o OH, dall'inglese "pesante" e la catena leggera, L o OL dall'inglese "leggera". Questi sono identificati e situati nei due open reading frame (URF) non assegnati sul cromosoma mitocondriale.

La replicazione del genoma mitocondriale inizia nella catena pesante (OH) e continua in una direzione fino a quando non viene prodotta l'intera lunghezza della catena leggera (OL). Successivamente, le proteine ​​chiamate "proteine ​​mitocondriali leganti il ​​DNA a filamento singolo" sono attaccate per proteggere la catena che funziona come "genitore" o "modello".

Gli enzimi responsabili della separazione per la replicazione (replicacosoma) passano alla banda luminosa (OL) e si forma una struttura ad anello che blocca il legame delle proteine ​​mitocondriali di legame al DNA a filamento singolo.

In questo ciclo l'RNA polimerasi mitocondriale si lega e inizia la sintesi del nuovo primer. La transizione alla sintesi della catena pesante (OH) avviene 25 nucleotidi più tardi.

Proprio al momento della transizione alla catena pesante (OH), l'RNA polimerasi mitocondriale viene sostituita dalla DNA polimerasi replicativa mitocondriale all'estremità 3 ', dove inizialmente è iniziata la replicazione.

Infine, la sintesi di entrambe le catene, sia pesante (OH) che leggera (OL) procede continuamente fino a formare due molecole circolari complete di DNA a doppia elica (a doppia elica).

Malattie correlate

Ci sono molte malattie legate a un malfunzionamento del DNA mitocondriale. La maggior parte sono causati da mutazioni che danneggiano la sequenza o le informazioni contenute nel genoma.

Perdita dell'udito relativa all'aumentare dell'età

Una delle malattie meglio studiate che è stata direttamente correlata ai cambiamenti nel genoma del DNA mitocondriale è la perdita dell'udito dovuta all'aumento dell'età.

Questa condizione è il prodotto di fattori genetici, ambientali e di stile di vita. Con l'avanzare dell'età, il DNA mitocondriale accumula mutazioni dannose, come delezioni, traslocazioni, inversioni e altro.

Il danno al DNA mitocondriale è causato principalmente dall'accumulo di specie reattive dell'ossigeno, questi sono sottoprodotti della produzione di energia nei mitocondri.

Il DNA mitocondriale è particolarmente vulnerabile ai danni, poiché non ha un sistema di riparazione. Pertanto, i cambiamenti causati dalle specie reattive dell'ossigeno danneggiano il DNA mitocondriale e causano il malfunzionamento dell'organello, causando la morte cellulare.

Le cellule dell'orecchio interno hanno una forte richiesta di energia. Questa richiesta li rende particolarmente sensibili ai danni al DNA mitocondriale. Questi danni possono alterare irreversibilmente la funzione dell'orecchio interno, portando a una perdita totale dell'udito.

Tumori

Il DNA mitocondriale è particolarmente sensibile alle mutazioni somatiche, mutazioni che non sono ereditate dai genitori. Questi tipi di mutazioni si verificano nel DNA di alcune cellule durante la vita di una persona.

Ci sono prove che collegano alterazioni del DNA mitocondriale derivanti da mutazioni somatiche con alcuni tipi di cancro, tumori nelle ghiandole mammarie, nel colon, nello stomaco, nel fegato e nel rene.

Mutazioni nel DNA mitocondriale sono state anche associate a tumori del sangue come leucemia e linfomi (cancro delle cellule del sistema immunitario).

Gli specialisti collegano le mutazioni somatiche nel DNA mitocondriale con un aumento della produzione di specie reattive dell'ossigeno, fattori che aumentano il danno del DNA mitocondriale e creano una mancanza di controllo nella crescita cellulare.

Poco si sa su come queste mutazioni aumentino la divisione cellulare incontrollata delle cellule e su come finiscano per svilupparsi come tumori cancerosi.

Sindrome del vomito ciclico

Si ritiene che alcuni casi di vomito ciclico, tipici dell'infanzia, siano correlati a mutazioni nel DNA mitocondriale. Queste mutazioni causano episodi ricorrenti di nausea, vomito e stanchezza o letargia.

Gli scienziati associano questi episodi di vomito al fatto che i mitocondri con DNA mitocondriale danneggiato possono influenzare alcune cellule del sistema nervoso autonomo, influenzando funzioni come la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e la digestione.

Nonostante queste associazioni, non è ancora chiaro come i cambiamenti nel DNA mitocondriale causino episodi ricorrenti di sindrome del vomito ciclico.

Riferimenti

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