Informace

Mají geny kódované jádrem pro mitochondriální proteiny introny?


Předpokládá se, že mitochondrie přenesly velkou část svého genomu do jádra. Vím, že v genech kódujících mitochondriální proteiny chybí introny, ale platí to i pro mitochondriální geny kódované jádrem?


Jaderné geny pro proteiny určené pro mitochondrie umět mít introny…

… Do té míry, že jiné jaderné geny pro tento organismus mají introny.

Pro určitý hmyz existuje databáze takových genů s názvem MitoDrome, a pokud kliknete na D. melanogaster na bočním panelu na domovské stránce tohoto webu se dostanete k seznamu takových genů pro stejnojmennou ovocnou mušku. Každý z nich můžete zkontrolovat pomocí možnosti „zobrazit“ a prvních pár, na které jsem se podíval, mělo introny. Zde je příklad jedné z podjednotek NADH-ubichinon oxidoreduktázy, ND-18:

Podjednotky tohoto komplexu enzymů lze zkoumat u jiných druhů, z nichž lze zjistit, že v Homo sapiens tyto jaderné geny mají také introny. Podobným lidským genem je NDUFS4. Byly popsány mutace v tomto genu, z nichž alespoň jedna má za následek genetické onemocnění - Leighův syndrom. Jedna z těchto mutací zahrnuje abberantní sestřih pěti exonů genu (Lamont a kol. Am J Med Genet, část A 173A: 596-600).

Homologní gen v Saccharomyces cerevisiaeNDI1 nemá introny, jako většina ostatních kvasinkových genů.


Proč si mitochondrie uchovávají svůj vlastní genom?

Mitochondrie. Uznání: Wikipedia commons

Zní to jako sci-fi, naznačovat, že každá buňka v lidském těle je obsazena drobnou genomem vybavenou organelou, se kterou existujeme v symbióze. Ale ve skutečnosti je eukaryotický život závislý na mitochondriích, které poskytují buňce energii ve formě adenosintrifosfátu (ATP). Během tisíciletí se genomy mitochondrií vyvíjely podle výběru pro minimální obsah genu, ale vědci nebyli schopni určit, proč byly některé, ale ne všechny mitochondriální geny přeneseny do jaderného genomu.

Mezinárodní spolupráce vědců vytvořila zajímavou hypotézu týkající se tohoto jevu: Mitochondriální genom kóduje hydrofobní membránové proteiny, které, pokud by byly zakódovány v jádře, by byly filtrovány částicí rozpoznávající signál (SRP) a špatně nasměrovány do endoplazmatického retikula. Vědci provedli studii zkoumající jejich hypotézu a zveřejnili své výsledky v Sborník Národní akademie věd.

Aby bylo možné předpovědět, zda by byl protein cílen pomocí SRP, vědci vypočítali energii volné inzerce transmembránových proteinů, které, pokud byly hodnoceny nula nebo méně, byly považovány za hydrofobní. Vyšší skóre byla hodnocena okrajově hydrofobně. Pokud transmembránová proteinová doména (TMD) dosáhla hydrofobního skóre a délka jejího ocasu byla delší než 120 aminokyselin, vědci předpovídali, že bude zadržena SRP a nasměrována do endoplazmatického retikula.

Exprimovaly takové proteiny v buněčné cytoplazmě a byly schopné určit, že byly ve skutečnosti zadrženy SRP a nasměrovány do endoplazmatického retikula. Vědci dále zjistili, že nesprávné zacílení těchto hydrofobních proteinů na rozpustné médium endoplazmatického retikula vedlo k tvorbě aberantních voštinových struktur podobných strukturám pozorovaným během virových infekcí. "Došli jsme k závěru, že geny pro hydrofobní membránové proteiny s více než 120 aminokyselinami jsou pravděpodobně zachovány v odlišných genomech organel, aby byla zajištěna správná lokalizace těchto proteinů a aby se zabránilo transportu do endoplazmatického retikula," píší autoři.

Vědci tedy dospěli k závěru, že selekce proti nesprávnému zacílení hydrofobních proteinů do endoplazmatického retikula představovala alespoň jedno hlavní selektivní omezení pro retenci mitochondriálního genomu. Toto zjištění posilují porovnáním s podobnou dynamikou membrán v chloroplastech rostlin.

Předchozí studie naznačovaly, že jedna třetina mitochondriálních proteinů se vyvinula v reakci na specifická environmentální omezení různých druhů. Většina těchto proteinů se podílí na transportních, regulačních a membránových funkcích. Výsledky této studie jsou v souladu s těmito zjištěními.

Trvalá záhada byla důkazem, že ve vzácných případech došlo k přenosu jinak univerzálních mitochondriálních genů do jaderného genomu. Výsledky současné studie představují vysvětlení: Tyto konkrétní proteiny vykazují sníženou hydrofobicitu u těch druhů, u nichž došlo k přenosu.

Klinické aplikace zahrnují vývoj metod k léčbě lidských mitochondriálních genetických chorob, jako je Leberova dědičná optická neuropatie. „Tyto výsledky řeší dlouhotrvající otázku, proč aerobní mitochondrie a fotosyntetické chloroplasty celkově potřebují výrazný kompartmentový genom, i když mohou být zapojeny i další faktory,“ píší autoři.


MCSF1, v jádru kódovaný CRM protein potřebný pro zpracování mnoha mitochondriálních intronů, se podílí na biogenezi respiračních komplexů I a IV v Arabidopsis

Upozornění: Wiley-Blackwell neodpovídá za obsah ani funkčnost jakýchkoli podpůrných informací poskytnutých autory. Případné dotazy (kromě chybějícího materiálu) směřujte na Nový fytolog Ústředí.

Obr. S1 Fylogenetická distribuce více proteinů domény CRM v rostlinách.

Obr. S2 Morfologie mitochondrií mcsf1 rostliny elektronovou mikroskopií.

Obr. S3 Akumulace organelárních transkriptů divokého typu a mcsf1 mitochondrie rostlin.

Obr. S4 Výsledky sekvenování po RT-PCR cox2, nad1, nad2, nad4, nad5, nad7 a rps3 mRNA v mcsf1-1 rostliny.

Obr. S5 Analýza mcsf1 mitochondriální transkriptom pomocí RT-qPCR.

Obr. S6 In vivo lokalizační analýza proteinů spojených s CRS2/PTH.

Tabulka S1 Seznam primerů použitých při screeningu rostlin Arabidopsis

Tabulka S2 DNA oligonukleotidy používané v lokalizačních testech GFP

Tabulka S3 Primery použité pro sestřih experimentu qRT-PCR

Tabulka S4 Seznam protilátek použitých pro analýzu mcsf1 mutanti

Upozornění: Vydavatel nenese odpovědnost za obsah ani funkčnost jakýchkoli podpůrných informací poskytnutých autory. Jakékoli dotazy (kromě chybějícího obsahu) by měly být směrovány na příslušného autora článku.


Obsah

Mitochondrie mohou mít řadu různých tvarů. [23] Mitochondrie obsahuje vnější a vnitřní membrány složené z fosfolipidových dvojvrstev a proteinů. [17] Obě membrány mají různé vlastnosti. Kvůli této organizaci s dvojitou membránou má mitochondrion pět odlišných částí:

  1. Vnější mitochondriální membrána,
  2. Intermembránový prostor (prostor mezi vnější a vnitřní membránou),
  3. Vnitřní mitochondriální membrána,
  4. Prostor cristae (tvořený infoldings vnitřní membrány), a
  5. Matice (prostor uvnitř vnitřní membrány).

Mitochondrie zbavené vnější membrány se nazývají mitoplasty.

Vnější membrána Upravit

The vnější mitochondriální membrána, která obklopuje celou organelu, je silná 60 až 75 angströmů (Å). Má poměr proteinů k fosfolipidům podobný poměru buněčné membrány (asi 1: 1 podle hmotnosti). Obsahuje velké množství integrálních membránových proteinů zvaných poriny. Hlavním transportním proteinem je napěťově závislý aniontový kanál vytvářející póry (VDAC). VDAC je primární transportér nukleotidů, iontů a metabolitů mezi cytosolem a mezimembránovým prostorem. [24] [25] Je vytvořen jako beta barel, který překlenuje vnější membránu, podobně jako v gramnegativní bakteriální membráně. [26] Větší proteiny mohou vstoupit do mitochondrií, pokud se signální sekvence na jejich N-konci váže na velký multisubunitový protein zvaný translocase ve vnější membráně, který je pak aktivně přesune přes membránu. [27] Mitochondriální pro-proteiny jsou importovány prostřednictvím specializovaných translokačních komplexů.

Vnější membrána také obsahuje enzymy zapojené do různých činností, jako je prodloužení mastných kyselin, oxidace epinefrinu a degradace tryptofanu. Tyto enzymy zahrnují monoaminooxidázu, NADH-cytochrom c-reduktázu necitlivou na rotenon, kynureninhydroxylázu a Co-A ligázu mastné kyseliny. Narušení vnější membrány umožňuje proteiny v mezimembránovém prostoru uniknout do cytosolu, což vede k buněčné smrti. [28] Mitochondriální vnější membrána se může spojit s membránou endoplazmatického retikula (ER), ve struktuře nazývané MAM (mitochondriální ER-membrána spojená s mitochondriemi). To je důležité v signalizaci vápníku ER-mitochondrie a podílí se na přenosu lipidů mezi ER a mitochondriemi. [29] Mimo vnější membránu se nacházejí malé (průměr: 60 Á) částice pojmenované jako podjednotky Parsona.

Úpravy mezimembránového prostoru

The mitochondriální mezimembránový prostor je prostor mezi vnější membránou a vnitřní membránou. Je také známý jako perimitochondriální prostor. Protože je vnější membrána volně propustná pro malé molekuly, jsou koncentrace malých molekul, jako jsou ionty a cukry, v mezimembránovém prostoru stejné jako v cytosolu. [17] Velké proteiny však musí mít specifickou signální sekvenci, aby mohly být transportovány přes vnější membránu, takže složení bílkovin v tomto prostoru se liší od složení bílkovin v cytosolu. Jeden protein, který je tímto způsobem lokalizován do mezimembránového prostoru, je cytochrom c. [28]

Upravit vnitřní membránu

Vnitřní mitochondriální membrána obsahuje proteiny se třemi typy funkcí: [17]

  1. Ti, kteří provádějí řetězové reakce přenosu elektronů, které generují ATP v matici
  2. Specifické transportní proteiny, které regulují průchod metabolitu do mitochondriální matrice a ven

Obsahuje více než 151 různých polypeptidů a má velmi vysoký poměr proteinů k fosfolipidům (více než 3: 1 hmotnostně, což je asi 1 protein na 15 fosfolipidů). Vnitřní membrána je domovem přibližně 1/5 celkového proteinu v mitochondrii. [30] Vnitřní membrána je navíc bohatá na neobvyklý fosfolipid, kardiolipin. Tento fosfolipid byl původně objeven v kravských srdcích v roce 1942 a je obvykle charakteristický pro mitochondriální a bakteriální plazmatické membrány. [31] Cardiolipin obsahuje spíše čtyři mastné kyseliny než dvě a může pomoci učinit vnitřní membránu nepropustnou. [17] Na rozdíl od vnější membrány vnitřní membrána neobsahuje poriny a je vysoce nepropustná pro všechny molekuly. Téměř všechny ionty a molekuly vyžadují speciální membránové transportéry pro vstup nebo výstup z matrice. Proteiny jsou transportovány do matrice přes translokázu komplexu vnitřní membrány (TIM) nebo přes OXA1L. [27] Kromě toho je přes vnitřní membránu membránový potenciál, který vzniká působením enzymů elektronového transportního řetězce. Fúze vnitřní membrány je zprostředkována proteinem vnitřní membrány OPA1. [32]

Cristae Upravit

Vnitřní mitochondriální membrána je rozdělena do mnoha záhybů zvaných cristae, které rozšiřují povrchovou plochu vnitřní mitochondriální membrány, což zvyšuje její schopnost produkovat ATP. U typických mitochondrií jater je plocha vnitřní membrány asi pětkrát větší než vnější membrána. Tento poměr je variabilní a mitochondrie z buněk, které mají větší poptávku po ATP, jako jsou svalové buňky, obsahují ještě více cristae. Mitochondrie ve stejné buňce mohou mít podstatně odlišnou hustotu crista, přičemž ty, které jsou potřebné k výrobě více energie, mají mnohem větší povrch crista-membrány. [33] Tyto záhyby jsou posety malými kulatými těly známými jako F1 částice nebo oxysomy. [34]

Úprava matice

Matice je prostor uzavřený vnitřní membránou. Obsahuje asi 2/3 celkových proteinů v mitochondrii. [17] Matrice je důležitá při produkci ATP pomocí ATP syntázy obsažené ve vnitřní membráně. Matrice obsahuje vysoce koncentrovanou směs stovek enzymů, speciálních mitochondriálních ribozomů, tRNA a několika kopií genomu mitochondriální DNA. Mezi enzymy patří mezi hlavní funkce oxidace pyruvátu a mastných kyselin a cyklus kyseliny citrónové. [17] Molekuly DNA jsou zabaleny do nukleoidů proteiny, z nichž jeden je TFAM. [35]

Nejvýraznější rolí mitochondrií je produkovat energetickou měnu buňky, ATP (tj. Fosforylace ADP), prostřednictvím dýchání a regulovat buněčný metabolismus. [18] Centrální soubor reakcí zapojených do produkce ATP je souhrnně znám jako cyklus kyseliny citrónové nebo Krebsův cyklus. Mitochondrion má však kromě produkce ATP ještě mnoho dalších funkcí.

Přeměna energie Upravit

Dominantní rolí mitochondrií je produkce ATP, což se odráží ve velkém počtu proteinů ve vnitřní membráně pro tento úkol. To se provádí oxidací hlavních produktů glukózy: pyruvátu a NADH, které se produkují v cytosolu. [18] Tento typ buněčného dýchání, známý jako aerobní dýchání, je závislý na přítomnosti kyslíku, který poskytuje většinu uvolněné energie. [36] Když je kyslík omezen, budou glykolytické produkty metabolizovány anaerobní fermentací, procesem, který je nezávislý na mitochondriích. [18] Produkce ATP z glukózy a kyslíku má přibližně 13krát vyšší výtěžek během aerobního dýchání ve srovnání s fermentací. [37] Rostlinné mitochondrie mohou také produkovat omezené množství ATP buď rozbitím cukru produkovaného během fotosyntézy, nebo bez kyslíku použitím alternativního substrátu dusitanu. [38] ATP prochází vnitřní membránou pomocí specifického proteinu a přes vnější membránu poriny. [39] ADP se vrací stejnou cestou.

Pyruvát a cyklus kyseliny citronové Upravit

Molekuly pyruvátu produkované glykolýzou jsou aktivně transportovány přes vnitřní mitochondriální membránu a do matrice, kde mohou být buď oxidovány a kombinovány s koenzymem A za vzniku CO2, acetyl-CoA a NADH, [18] nebo mohou být karboxylovány (pyruvátkarboxylázou) za vzniku oxaloacetátu. Tato druhá reakce "naplní" množství oxaloacetátu v cyklu kyseliny citrónové, a je tedy anaplerotickou reakcí, která zvyšuje schopnost cyklu metabolizovat acetyl-CoA, když se energetická potřeba tkáně (např. Ve svalu) náhle aktivitou zvýší. [40]

V cyklu kyseliny citronové se všechny meziprodukty (např. Citrát, iso-citrát, alfa-ketoglutarát, sukcinát, fumarát, malát a oxaloacetát) regenerují během každého cyklu cyklu. Přidání více z těchto meziproduktů k mitochondrii tedy znamená, že dodatečné množství se udrží v cyklu, čímž se zvýší všechny ostatní meziprodukty, když se jeden převede na druhý. Přidání kteréhokoli z nich do cyklu má tedy anaplerotický účinek a jeho odstranění má kataplerotický účinek. Tyto anaplerotické a kataplerotické reakce v průběhu cyklu zvýší nebo sníží množství oxaloacetátu dostupného pro kombinaci s acetyl-CoA za vzniku kyseliny citrónové. To zase zvyšuje nebo snižuje rychlost produkce ATP mitochondrií, a tím i dostupnost ATP pro buňku. [40]

Acetyl-CoA, na druhé straně, odvozený z oxidace pyruvátu nebo z beta-oxidace mastných kyselin, je jediným palivem, které vstupuje do cyklu kyseliny citrónové. Při každém otočení cyklu je spotřebována jedna molekula acetyl-CoA na každou molekulu oxaloacetátu přítomnou v mitochondriální matrici a nikdy není regenerována. Je to oxidace acetátové části acetyl-CoA, která produkuje CO2 a voda, přičemž takto uvolněná energie je zachycena ve formě ATP. [40]

V játrech je karboxylace cytosolického pyruvátu na intra-mitochondriální oxaloacetát raným krokem v glukoneogenní dráze, která přeměňuje laktát a deaminovaný alanin na glukózu, [18] [40] pod vlivem vysokých hladin glukagonu a/ nebo epinefrin v krvi. [40] Zde přidání oxaloacetátu do mitochondrií nemá čistý anaplerotický účinek, protože z mitochondrií je okamžitě odstraněn další meziprodukt cyklu kyseliny citronové (malát), který má být přeměněn na cytosolický oxaloacetát, který je nakonec přeměněn na glukózu, v proces, který je téměř opakem glykolýzy. [40]

Enzymy cyklu kyseliny citronové jsou umístěny v mitochondriální matrici, s výjimkou sukcinát dehydrogenázy, která je vázána na vnitřní mitochondriální membránu jako součást komplexu II. [41] Cyklus kyseliny citronové oxiduje acetyl-CoA na oxid uhličitý a v tomto procesu produkuje redukované kofaktory (tři molekuly NADH a jedna molekula FADH2), které jsou zdrojem elektronů pro elektronový transportní řetězec, a molekulou GTP (která se snadno převádí na ATP). [18]

NADH a FADH2: řetězec transportu elektronů Upravit

Elektrony z NADH a FADH2 jsou převedeny na kyslík (O.2), molekula bohatá na energii, [36] a vodík (protony) v několika krocích prostřednictvím elektronového transportního řetězce. NADH a FADH2 molekuly jsou produkovány v matrici prostřednictvím cyklu kyseliny citrónové, ale jsou také produkovány v cytoplazmě glykolýzou. Redukční ekvivalenty z cytoplazmy lze importovat pomocí malát-aspartátového kyvadlového systému antiporterových proteinů nebo se zavést do elektronového transportního řetězce pomocí glycerol fosfátového raketoplánu. [18] Proteinové komplexy ve vnitřní membráně (NADH dehydrogenáza (ubichinon), cytochrom c reduktáza a cytochrom c oxidáza) provádějí přenos a inkrementální uvolňování energie slouží k pumpování protonů (H +) do mezimembránového prostoru. Tento proces je účinný, ale malé procento elektronů může předčasně redukovat kyslík za vzniku reaktivních forem kyslíku, jako je superoxid.[18] To může v mitochondriích způsobit oxidační stres a může přispět k poklesu mitochondriální funkce spojené s procesem stárnutí. [42]

Jak se koncentrace koncentrace protonů v mezimembránovém prostoru zvyšuje, je přes vnitřní membránu vytvořen silný elektrochemický gradient. Protony se mohou vrátit do matrice prostřednictvím komplexu ATP syntázy a jejich potenciální energie se používá k syntéze ATP z ADP a anorganického fosfátu (P). [18] Tento proces se nazývá chemiosmóza a poprvé jej popsal Peter Mitchell [43] [44], který za svou práci získal v roce 1978 Nobelovu cenu za chemii. Později byla část Nobelovy ceny za chemii z roku 1997 udělena Paulu D. Boyerovi a Johnu E. Walkerovi za objasnění pracovního mechanismu ATP syntázy. [45]

Výroba tepla Upravit

Za určitých podmínek mohou protony znovu vstoupit do mitochondriální matice, aniž by přispěly k syntéze ATP. Tento proces je známý jako únik protonu nebo mitochondriální odpojení a je způsobeno usnadněnou difúzí protonů do matrice. Výsledkem procesu je uvolňování potenciální energie elektrochemického gradientu protonu jako tepla. [18] Proces je zprostředkován protonovým kanálem nazývaným termogenin neboli UCP1. [46] Termogenin se primárně nachází v hnědé tukové tkáni neboli hnědém tuku a je zodpovědný za netřesivou termogenezi. Hnědá tuková tkáň se nachází u savců a je na nejvyšších úrovních v raném věku a u hibernujících zvířat. U lidí je hnědá tuková tkáň přítomna při narození a s věkem klesá. [46]

Skladování vápenatých iontů Upravit

Koncentrace volného vápníku v buňce mohou regulovat řadu reakcí a jsou důležité pro přenos signálu v buňce. Mitochondrie mohou přechodně ukládat vápník, což je proces přispívající k homeostáze vápníku v buňce. [47] [48] Jejich schopnost rychle přijímat vápník pro pozdější uvolnění z nich činí dobré „cytosolické pufry“ pro vápník. [49] [50] [51] Endoplazmatické retikulum (ER) je nejvýznamnějším úložištěm vápníku [52] a existuje významná souhra mitochondrií a ER s ohledem na vápník. [53] Vápník je do matrice přijímán mitochondriálním uniporterem vápníku na vnitřní mitochondriální membráně. [54] Je primárně poháněn mitochondriálním membránovým potenciálem. [48] ​​K uvolnění tohoto vápníku zpět do nitra buňky může dojít prostřednictvím výměnného proteinu sodík-vápník nebo cestami „uvolňováním vápníku indukovaného-uvolňování“. [54] To může iniciovat špičky vápníku nebo vlny vápníku s velkými změnami membránového potenciálu. Ty mohou aktivovat řadu proteinů systému druhého posla, které mohou koordinovat procesy, jako je uvolňování neurotransmiterů v nervových buňkách a uvolňování hormonů v endokrinních buňkách. [55]

Příliv Ca 2+ do mitochondriální matrice byl v poslední době implikován jako mechanismus pro regulaci respirační bioenergetiky tím, že umožňuje elektrochemickému potenciálu přes membránu přechodně „pulzovat“ z A-dominovaného na pH s dominancí pH, což usnadňuje snížení oxidačního stresu. [56] V neuronech působí souběžné zvýšení cytosolického a mitochondriálního vápníku na synchronizaci neuronální aktivity s mitochondriálním energetickým metabolizmem. Hladiny vápníku mitochondriální matrice mohou dosáhnout desítek mikromolárních úrovní, což je nezbytné pro aktivaci isocitrátdehydrogenázy, jednoho z klíčových regulačních enzymů Krebsova cyklu. [57]

Regulace buněčné proliferace Upravit

Byl zkoumán vztah mezi buněčnou proliferací a mitochondriemi. Nádorové buňky vyžadují dostatek ATP k syntéze bioaktivních sloučenin, jako jsou lipidy, proteiny a nukleotidy, pro rychlou proliferaci. [58] Většina ATP v nádorových buňkách je generována cestou oxidační fosforylace (OxPhos). [59] Interference s OxPhos způsobuje zastavení buněčného cyklu, což naznačuje, že mitochondrie hrají roli v buněčné proliferaci. [59] Mitochondriální produkce ATP je kromě základních funkcí v buňce včetně regulace objemu buňky, koncentrace rozpuštěné látky a buněčné architektury také životně důležitá pro buněčné dělení a diferenciaci při infekci [60]. [61] [62] [63] Hladiny ATP se liší v různých fázích buněčného cyklu, což naznačuje, že existuje vztah mezi nadbytkem ATP a schopností buňky vstoupit do nového buněčného cyklu. [64] Role ATP v základních funkcích buňky činí buněčný cyklus citlivým na změny v dostupnosti mitochondriálního ATP. [64] Variace hladin ATP v různých fázích buněčného cyklu podporují hypotézu, že mitochondrie hrají důležitou roli v regulaci buněčného cyklu. [64] Ačkoli specifické mechanismy mezi mitochondriemi a regulací buněčného cyklu nejsou dobře známy, studie ukázaly, že kontrolní body nízkoenergetického buněčného cyklu monitorují energetickou kapacitu, než se odhodlají k dalšímu kolonu dělení buněk. [9]

Další funkce Upravit

Mitochondrie hrají ústřední roli v mnoha dalších metabolických úlohách, jako například:

  • Signalizace mitochondriálními reaktivními druhy kyslíku [65]
  • Regulace membránového potenciálu [18] -programovaná smrt buňky [66]
  • Signalizace vápníku (včetně apoptózy vyvolané vápníkem) [67]
  • Regulace buněčného metabolismu [9]
  • Některé reakce syntézy hemu [68](viz také: porfyrin) syntéza. [49]
  • Hormonální signalizace [69] Mitochondrie jsou citlivé a reagují na hormony, částečně působením mitochondriálních estrogenových receptorů (mtER). Tyto receptory byly nalezeny v různých tkáních a typech buněk, včetně mozku [70] a srdce [71]
  • Imunitní signalizace [72]
  • Neuronální mitochondrie také přispívají ke kontrole kvality buněk hlášením stavu neuronů směrem k mikrogliím prostřednictvím specializovaných somatických spojení. [73]

Některé mitochondriální funkce jsou vykonávány pouze ve specifických typech buněk. Například mitochondrie v jaterních buňkách obsahují enzymy, které jim umožňují detoxikovat čpavek, odpadní produkt metabolismu bílkovin. Mutace v genech regulujících kteroukoli z těchto funkcí může mít za následek mitochondriální onemocnění.

Mitochondrie (a související struktury) se nacházejí ve všech eukaryotech (kromě dvou - Oxymonad Monocerkomonoidy a Henneguya salminicola). [5] [6] [7] [74] Ačkoli jsou běžně zobrazovány jako fazolovité struktury, ve většině buněk tvoří vysoce dynamickou síť, kde neustále podléhají štěpení a fúzi. Populace všech mitochondrií dané buňky tvoří chondriom. [75] Mitochondrie se liší počtem a umístěním podle typu buňky. V jednobuněčných organismech se často vyskytuje jediný mitochondrion, zatímco lidské jaterní buňky mají přibližně 1 000–2 000 mitochondrií na buňku, což tvoří 1/5 objemu buněk. [17] Mitochondriální obsah jinak podobných buněk se může podstatně lišit velikostí a membránovým potenciálem, [76] s rozdíly vyplývajícími ze zdrojů, včetně nerovnoměrného rozdělení na buněčné dělení, což vede k vnějším rozdílům v hladinách ATP a navazujících buněčných procesech. [77] Mitochondrie lze nalézt vnořené mezi svalové myofibrily nebo omotané kolem bičíku spermatu. [17] Často s cytoskeletem tvoří uvnitř buňky komplexní 3D rozvětvující síť. Asociace s cytoskeletem určuje mitochondriální tvar, který může ovlivnit i funkci: [78] různé struktury mitochondriální sítě mohou populaci poskytnout celou řadu fyzikálních, chemických a signalizačních výhod nebo nevýhod. [79] Mitochondrie v buňkách jsou vždy distribuovány podél mikrotubulů a distribuce těchto organel také koreluje s endoplazmatickým retikulem. [80] Nedávné důkazy naznačují, že vimentin, jedna ze složek cytoskeletu, je také kritický pro asociaci s cytoskeletem. [81]

Upravit membránu ER spojenou s mitochondriemi (MAM)

Membrána ER spojená s mitochondriemi (MAM) je dalším strukturálním prvkem, který je stále více uznáván pro svou klíčovou roli v buněčné fyziologii a homeostáze. Jakmile byly považovány za technický zádrhel v technikách frakcionace buněk, údajné kontaminanty vesikul ER, které se vždy objevovaly v mitochondriální frakci, byly znovu identifikovány jako membránové struktury odvozené z MAM-rozhraní mezi mitochondriemi a ER. [82] Fyzikální vazba mezi těmito dvěma organelami byla dříve pozorována na elektronových mikrografech a v poslední době byla sondována pomocí fluorescenční mikroskopie. [82] Takové studie odhadují, že v MAM, která může zahrnovat až 20% mitochondriální vnější membrány, jsou ER a mitochondrie odděleny pouhými 10–25 nm a drženy pohromadě pomocí komplexů proteinového tetheringu. [82] [29] [83]

Purifikovaná MAM ze subcelulární frakcionace je kromě kanálů spojených se signalizací Ca 2+ obohacena o enzymy zapojené do výměny fosfolipidů. [82] [83] Tyto narážky na významnou úlohu MAM v regulaci zásob buněčných lipidů a transdukci signálu byly potvrzeny, s významnými důsledky pro buněčné jevy spojené s mitochondriemi, jak je diskutováno níže. MAM nejenže poskytla pohled na mechanický základ, který je základem takových fyziologických procesů, jako je vnitřní apoptóza a šíření vápníkové signalizace, ale také upřednostňuje upřesněný pohled na mitochondrie. Přestože je vývoj MAM často vnímán jako statický, izolovaný „velmoc“ unesený pro buněčný metabolismus prostřednictvím starodávné endosymbiotické události, zdůrazňuje, do jaké míry byly mitochondrie integrovány do celkové buněčné fyziologie, s intimním fyzickým a funkčním spojením s endomembránovým systémem.

Přenos fosfolipidů Upravit

MAM je obohacena o enzymy zapojené do biosyntézy lipidů, jako je fosfatidylserin syntáza na ER ploše a fosfatidylserin dekarboxyláza na mitochondriální ploše. [84] [85] Protože mitochondrie jsou dynamické organely, které neustále procházejí štěpnými a fúzními událostmi, vyžadují pro integritu membrány stálý a dobře regulovaný přísun fosfolipidů. [86] [87] Ale mitochondrie nejsou jen destinací pro fosfolipidy, které spíše dokončují syntézu, tato organela také hraje roli v obchodu mezi organely meziproduktů a produktů biosyntetických cest fosfolipidů, metabolismu ceramidu a cholesterolu a glykosfingolipidu anabolismus. [85] [87]

Taková kapacita přenosu závisí na MAM, u kterého bylo prokázáno, že usnadňuje přenos lipidových meziproduktů mezi organely. [84] Na rozdíl od standardního vezikulárního mechanismu přenosu lipidů důkazy naznačují, že fyzická blízkost ER a mitochondriálních membrán na MAM umožňuje překlopení lipidů mezi protilehlými dvojvrstvy. [87] Přes tento neobvyklý a zdánlivě energeticky nepříznivý mechanismus takový transport nevyžaduje ATP. [87] Místo toho se v kvasinkách ukázalo, že je závislý na struktuře vázání více proteinů nazývané struktura setkání ER-mitochondrie, nebo ERMES, ačkoli zůstává nejasné, zda tato struktura přímo zprostředkovává přenos lipidů nebo je nutné udržovat membrány v dostatečně blízko, aby se snížila energetická bariéra pro překlopení lipidů. [87] [88]

MAM může být také součástí sekreční dráhy, kromě své role v intracelulárním obchodování s lipidy. Zejména se MAM jeví jako přechodné místo mezi hrubým ER a Golgi v cestě, která vede k sestavení a sekreci lipoproteinu s velmi nízkou hustotou nebo VLDL. [85] [89] MAM tedy slouží jako kritické metabolické a transportní centrum v metabolismu lipidů.

Signalizace vápníku Upravit

Kritická role ER v signalizaci vápníku byla uznána dříve, než byla taková role pro mitochondrie široce přijímána, částečně proto, že se zdálo, že nízká afinita kanálů Ca 2+ lokalizovaných na vnější mitochondriální membráně je v rozporu s domnělou reakcí této organely na změny intracelulární Tok 2+. [82] [52] Přítomnost MAM však tento zjevný rozpor řeší: těsná fyzická asociace mezi těmito dvěma organelami má za následek mikrodomény Ca 2+ v kontaktních bodech, které usnadňují účinný přenos Ca 2+ z ER do mitochondrií. [82] K přenosu dochází v reakci na takzvané „potahy Ca 2+“ generované spontánním shlukováním a aktivací IP3R, kanonického kanálu ER 2+ kanonické membrány. [82] [29]

Osud těchto obláčků - zejména zda zůstávají omezeny na izolované lokality nebo integrovány do vln Ca 2+ pro šíření v celé buňce - je z velké části určován dynamikou MAM. Ačkoli zpětné vychytávání Ca 2+ pomocí ER (souběžně s jeho uvolňováním) moduluje intenzitu vdechů, čímž do určité míry izoluje mitochondrie od vysoké expozice Ca 2+, MAM často slouží jako firewall, který v podstatě tlumí vdechnutí Ca 2+ tím, že působí jako jímka, do které lze proudit volné ionty uvolněné do cytosolu. [82] [90] [91] Toto tunelování Ca 2+ probíhá prostřednictvím nízkoafinitního receptoru Ca 2+ VDAC1, u kterého se nedávno ukázalo, že je fyzicky přivázán ke klastrům IP3R na membráně ER a obohacen o MAM. [82] [29] [92] Schopnost mitochondrií sloužit jako jímač Ca 2+ je výsledkem elektrochemického gradientu generovaného během oxidační fosforylace, což z tunelování kationtu činí exergonický proces. [92] Normální, mírný příliv vápníku z cytosolu do mitochondriální matrice způsobuje přechodnou depolarizaci, která je korigována čerpáním protonů.

Přenos Ca 2+ není spíše jednosměrný, je to obousměrná ulice. [52] Vlastnosti vývěvy Ca 2+ SERCA a kanálu IP3R přítomného na membráně ER usnadňují regulaci zpětné vazby koordinovanou funkcí MAM. Zejména odstranění Ca 2+ pomocí MAM umožňuje časoprostorové modelování signalizace Ca 2+, protože Ca 2+ mění aktivitu IP3R dvoufázově. [82] SERCA je také ovlivněna mitochondriální zpětnou vazbou: příjem Ca 2+ MAM stimuluje produkci ATP, čímž poskytuje energii, která umožňuje SERCA znovu načíst ER s Ca 2+ pro pokračující odtok Ca 2+ v MAM. [90] [92] MAM tedy není pasivní vyrovnávací paměť pro obaly Ca 2+, ale spíše pomáhá modulovat další signalizaci Ca 2+ prostřednictvím zpětnovazebních smyček, které ovlivňují dynamiku ER.

Regulace ER uvolňování Ca 2+ na MAM je obzvláště kritická, protože pouze určité okno příjmu Ca 2+ udržuje mitochondrie a následně buňku v homeostáze. Ke stimulaci metabolismu aktivací dehydrogenázových enzymů kritických pro tok cyklem kyseliny citronové je zapotřebí dostatečná intraorganelní signalizace Ca 2+. [93] [94] Jakmile však signalizace Ca 2+ v mitochondriích překročí určitý práh, stimuluje vnitřní dráhu apoptózy částečně kolapsem potenciálu mitochondriální membrány potřebného pro metabolismus. [82] Studie zkoumající roli pro- a anti-apoptotických faktorů tento model podporují, například se ukázalo, že anti-apoptotický faktor Bcl-2 interaguje s IP3R, aby se snížilo plnění ER pomocí Ca 2+, což vede ke snížení odtoku na MAM a zabraňující kolapsu potenciálu mitochondriální membrány postapoptotickými podněty. [82] Vzhledem k potřebě takové jemné regulace signalizace Ca 2+ není asi překvapivé, že dysregulovaný mitochondriální Ca 2+ se podílí na několika neurodegenerativních onemocněních, zatímco katalog supresorů nádorů obsahuje několik, která jsou obohacena o MAM. [92]

Molekulární základ pro tethering Upravit

Nedávné pokroky v identifikaci popruhů mezi mitochondriálními a ER membránami naznačují, že funkce lešení zapojených molekulárních prvků je sekundární vůči jiným nestrukturálním funkcím. V kvasinkách je pro přenos lipidů na MAM vyžadován ERMES, multiproteinový komplex interagujících membránových proteinů rezidentních v ER a mitochondriích, a je příkladem tohoto principu. Jednou z jejích složek je například také složka proteinového komplexu nezbytného pro inzerci transmembránových proteinů beta-barelu do lipidové dvojvrstvy. [87] V savčích buňkách však dosud nebyl identifikován homolog komplexu ERMES. Jiné proteiny zapojené do lešení mají rovněž funkce nezávislé na strukturálním uvázání na MAM, například mitofusiny rezidentní v ER a mitochondriálně rezidentní tvoří heterokomplexy, které regulují počet kontaktních míst mezi organely, přestože mitofusiny byly poprvé identifikovány pro svou úlohu při štěpení a fúzní události mezi jednotlivými mitochondriemi. [82] Protein 75 související s glukózou (grp75) je dalším proteinem s dvojí funkcí. Kromě maticového fondu grp75 slouží část jako chaperon, který fyzicky spojuje mitochondriální a ER Ca 2+ kanály VDAC a IP3R pro efektivní přenos Ca 2+ na MAM. [82] [29] Dalším potenciálním poutem je Sigma-1R, neopioidní receptor, jehož stabilizace ER-rezidentního IP3R může zachovat komunikaci na MAM během reakce na metabolický stres. [95] [96]

Úpravy perspektivy

MAM je kritickým signálním, metabolickým a obchodním centrem v buňce, které umožňuje integraci ER a mitochondriální fyziologie. Spojení mezi těmito organelami není jen strukturální, ale také funkční a kritické pro celkovou buněčnou fyziologii a homeostázu. MAM tak nabízí pohled na mitochondrie, který se odchyluje od tradičního pohledu na tuto organelu jako statickou izolovanou jednotku přivlastněnou její metabolickou kapacitou buňkou. [97] Místo toho toto mitochondriální-ER rozhraní zdůrazňuje integraci mitochondrií, produktu endosymbiotické události, do různých buněčných procesů. Nedávno se také ukázalo, že mitochondrie a MAM v neuronech jsou ukotveny na specializovaných mezibuněčných komunikačních místech (tzv. Somatické křižovatky). Mikrogliální procesy monitorují a chrání neuronální funkce v těchto místech a MAM mají mít důležitou roli v tomto typu buněčné kontroly kvality. [73]

O původu mitochondrií existují dvě hypotézy: endosymbiotická a autogenní. Endosymbiotická hypotéza naznačuje, že mitochondrie byly původně prokaryotické buňky, schopné implementovat oxidační mechanismy, které u eukaryotických buněk nebyly možné, stali se z nich endosymbionti žijící uvnitř eukaryota. [98] V autogenní hypotéze se mitochondrie zrodily odštěpením části DNA z jádra eukaryotické buňky v době divergence s prokaryoty, tato část DNA by byla uzavřena membránami, které by nemohly být zkříženy proteiny . Protože mitochondrie mají mnoho společných rysů s bakteriemi, je endosymbiotická hypotéza přijímána více. [98] [99]

Mitochondrion obsahuje DNA, která je organizována jako několik kopií jednoho, obvykle kruhového chromozomu. Tento mitochondriální chromozom obsahuje geny pro redoxní proteiny, jako jsou dýchací řetězce. Hypotéza CoRR navrhuje, aby toto společné umístění bylo vyžadováno pro redoxní regulaci. Mitochondriální genom kóduje některé RNA ribozomů a 22 tRNA nezbytných pro translaci mRNA do proteinu. Kruhová struktura se nachází také v prokaryotech. Proto-mitochondrie byla pravděpodobně úzce spjata s Rickettsia. [100] [101] Přesný vztah předka mitochondrií k alphaproteobacteria a to, zda se mitochondrie vytvořila současně nebo po jádru, však zůstává kontroverzní. [102] Například bylo navrženo, že klade bakterií SAR11 sdílí relativně nedávného společného předka s mitochondriemi, [103] zatímco fylogenomické analýzy naznačují, že se mitochondrie vyvinuly z linie proteobakterií, která je úzce příbuzná nebo je členem alfaproteobakterií . [104] [105]

Podskupiny Ib, II, IIIa, IIIb, IV a V

Ribozomy kódované mitochondriální DNA jsou podobné těm z bakterií co do velikosti a struktury. [107] Velmi se podobají bakteriálnímu 70S ribozomu, a nikoli 80S cytoplazmatickým ribozomům, které jsou kódovány jadernou DNA.

Endosymbiotický vztah mitochondrií k hostitelským buňkám propagovala Lynn Margulis. [108] Endosymbiotická hypotéza naznačuje, že mitochondrie pocházejí z bakterií, které nějakým způsobem přežily endocytózu jinou buňkou, a začleňují se do cytoplazmy. Schopnost těchto bakterií vést dýchání v hostitelských buňkách, které se spoléhaly na glykolýzu a fermentaci, by poskytlo značnou evoluční výhodu. Tento symbiotický vztah se pravděpodobně vyvinul před 1,7 až 2 miliardami let. [109] [110] Několik skupin jednobuněčných eukaryot má pouze zbytkové mitochondrie nebo odvozené struktury: mikrosporidiány, metamonády a archamoeby. [111] Tyto skupiny se jeví jako nejprimitivnější eukaryoty na fylogenetických stromech konstruovaných pomocí informací rRNA, které kdysi naznačovaly, že se objevily před vznikem mitochondrií. Nyní je však známo, že jde o artefakt přitažlivosti s dlouhými větvemi-jsou to odvozené skupiny a uchovávají si geny nebo organely odvozené z mitochondrií (např. Mitozomy a hydrogenozomy). [4] Hydrogenosomy, mitozomy a příbuzné organely nalezené v některých loricifera (např. Spinoloricus) [112] [113] a myxozoa (např. Henneguya zschokkei) jsou společně klasifikovány jako MRO, organely související s mitochondriemi. [114] [115]

Zdá se, že monocerkomonoidy zcela ztratily své mitochondrie a zdá se, že alespoň některé mitochondriální funkce nyní vykonávají cytoplazmatické proteiny. [116]

Mitochondrie obsahují vlastní genom. The člověk mitochondriální genom je kruhová molekula DNA o přibližně 16 kilobázích. [117] Kóduje 37 genů: 13 pro podjednotky respiračních komplexů I, III, IV a V, 22 pro mitochondriální tRNA (pro 20 standardních aminokyselin plus další gen pro leucin a serin) a 2 pro rRNA. [117] Jedna mitochondrie může obsahovat dvě až deset kopií její DNA. [118]

Stejně jako u prokaryot je zde velmi vysoký podíl kódující DNA a absence opakování. Mitochondriální geny jsou transkribovány jako multigenní transkripty, které jsou štěpeny a polyadenylovány za vzniku zralých mRNA. Většina proteinů nezbytných pro mitochondriální funkci je kódována geny v buněčném jádru a odpovídající proteiny jsou importovány do mitochondrií. [119] Přesný počet genů kódovaných jádrem a mitochondriálním genomem se mezi druhy liší. Většina mitochondriálních genomů je kruhová. [120] Obecně mitochondriální DNA postrádá introny, jako je tomu v lidském mitochondriálním genomu [119], ale introny byly pozorovány v některých eukaryotických mitochondriálních DNA, [121] jako jsou kvasinky [122] a protisty, [ 123] včetně Dictyostelium discoideum. [124] Mezi regiony kódujícími proteiny jsou přítomny tRNA. Geny mitochondriální tRNA mají odlišné sekvence od jaderných tRNA, ale v jaderných chromozomech byly nalezeny dvojníky mitochondriálních tRNA s vysokou sekvenční podobností. [125]

U zvířat je mitochondriálním genomem obvykle jeden kruhový chromozom, který je přibližně 16 kb dlouhý a má 37 genů. Geny, i když jsou vysoce konzervované, se mohou lišit v umístění. Kupodivu se tento vzorec nenachází v lidském těle veš (Pediculus humanus). Místo toho je tento mitochondriální genom uspořádán do 18 minikruhových chromozomů, z nichž každý je dlouhý 3–4 kb a má jeden až tři geny. [126] Tento vzor najdeme i u jiných sajících vší, ale ne u žvýkacích vší. Bylo prokázáno, že mezi minichromozomy dochází k rekombinaci.

Alternativní genetický kód Upravit

Výjimky ze standardního genetického kódu v mitochondriích [17]
Organismus Codon Standard Mitochondrie
Savci AGA, AGG Arginin Zastavte kodon
Bezobratlí AGA, AGG Arginin Serine
Houby CUA Leucin Threonin
Vše výše uvedené AUA Isoleucin Methionin
UGA Zastavte kodon Tryptofan

Zatímco dříve byly předpovídány mírné odchylky standardního genetického kódu, [127] nikdo nebyl objeven až do roku 1979, kdy vědci studující lidské mitochondriální geny zjistili, že použili alternativní kód. [128] Mitochondrie mnoha dalších eukaryot, včetně většiny rostlin, však používají standardní kód. [129] Od té doby bylo objeveno mnoho mírných variant, [130] včetně různých alternativních mitochondriálních kódů. [131] Dále, kodony AUA, AUC a AUU jsou všechny přípustné startovací kodony.

Některé z těchto rozdílů by měly být považovány za pseudo-změny v genetickém kódu kvůli jevu editace RNA, který je běžný v mitochondriích. U vyšších rostlin se předpokládalo, že CGG kóduje tryptofan a ne arginin, nicméně kodonem ve zpracované RNA byl kodon UGG, což je v souladu se standardním genetickým kódem pro tryptofan. [132] Je třeba poznamenat, že mitochondriální genetický kód členovce prošel paralelní evolucí v kmeni, přičemž některé organismy jedinečně překládají AGG na lysin. [133]

Replikace a dědičnost Upravit

Mitochondrie se dělí binárním štěpením, podobně jako bakterie. [134] Regulace tohoto rozdělení se mezi eukaryoty liší. U mnoha jednobuněčných eukaryot je jejich růst a dělení spojeno s buněčným cyklem. Například jeden mitochondrion se může dělit synchronně s jádrem. Tento proces dělení a segregace musí být přísně kontrolován, aby každá dceřiná buňka dostala alespoň jednu mitochondrii. U jiných eukaryot (například u savců) mohou mitochondrie replikovat svou DNA a dělit se hlavně v reakci na energetické potřeby buňky, nikoli ve fázi s buněčným cyklem. Když jsou energetické potřeby buňky vysoké, mitochondrie rostou a dělí se. Když je spotřeba energie nízká, mitochondrie jsou zničeny nebo se stanou neaktivními. V takových příkladech jsou mitochondrie zjevně náhodně distribuovány do dceřiných buněk během dělení cytoplazmy. Mitochondriální dynamika, rovnováha mezi mitochondriální fúzí a štěpením, je důležitým faktorem v patologiích spojených s několika chorobnými stavy. [135]

Hypotéza mitochondriálního binárního štěpení se opírala o vizualizaci fluorescenční mikroskopií a konvenční transmisní elektronovou mikroskopií (TEM). Rozlišení fluorescenční mikroskopie (

200 nm) nestačí k rozlišení strukturálních detailů, jako je dvojitá mitochondriální membrána v mitochondriálním dělení nebo dokonce k rozlišení jednotlivých mitochondrií, když je jich několik blízko u sebe. Konvenční TEM má také určitá technická omezení [ který? ] při ověřování mitochondriálního dělení. Kryo-elektronová tomografie byla nedávno použita k vizualizaci mitochondriálního dělení ve zmrazených hydratovaných intaktních buňkách. Ukázalo se, že mitochondrie se dělí pučením. [136]

Mitochondriální geny jedince jsou zděděny pouze po matce, až na vzácné výjimky. [137] U lidí, když je vajíčko oplodněno spermatem, mitochondrie, a tedy mitochondriální DNA, obvykle pocházejí pouze z vajíčka. Mitochondrie spermatu vstupují do vajíčka, ale nepřispívají k embryu genetickou informací. [138] Místo toho jsou otcovské mitochondrie označeny ubikvitinem, aby byly vybrány pro pozdější zničení uvnitř embrya. [139] Vaječná buňka obsahuje relativně málo mitochondrií, ale tyto mitochondrie se dělí a osídlují buňky dospělého organismu. Tento režim je pozorován u většiny organismů, včetně většiny zvířat. Mitochondrie u některých druhů však mohou být někdy dědičně otcovsky. To je u některých jehličnatých rostlin normou, i když ne u borovic a tisů. [140] U Mytilids se otcovská dědičnost vyskytuje pouze u mužů tohoto druhu. [141] [142] [143] Bylo naznačeno, že se u lidí vyskytuje na velmi nízké úrovni. [144]

Uniparentální dědičnost vede k malé příležitosti pro genetickou rekombinaci mezi různými liniemi mitochondrií, ačkoli jeden mitochondrion může obsahovat 2–10 kopií jeho DNA. [118] Co rekombinace probíhá, zachovává genetickou integritu spíše než zachování rozmanitosti. Existují však studie prokazující rekombinaci v mitochondriální DNA. Je zřejmé, že enzymy nezbytné pro rekombinaci jsou přítomny v savčích buňkách. [145] Dále důkazy naznačují, že zvířecí mitochondrie mohou podstoupit rekombinaci. [146] Data jsou u lidí kontroverznější, i když nepřímý důkaz rekombinace existuje. [147] [148]

U subjektů podstupujících uniparentální dědičnost a s malou až žádnou rekombinací lze očekávat, že budou podléhat Mullerově ráčně, hromadění škodlivých mutací, dokud nebude ztracena funkčnost. Živočišné populace mitochondrií se tomuto nahromadění vyhýbají vývojovým procesem známým jako zúžení mtDNA. Úzké místo využívá stochastické procesy v buňce ke zvýšení variability mezi buňkami v mutantní zátěži, jak se organismus vyvíjí: jediná vaječná buňka s určitým podílem mutantní mtDNA tak produkuje embryo, kde různé buňky mají různé mutantní zátěže. Selekce na úrovni buněk pak může působit tak, že tyto buňky odstraní více mutantní mtDNA, což vede ke stabilizaci nebo snížení mutantní zátěže mezi generacemi. Mechanismus, který je základem úzkého místa, je diskutován [149] [150] [151] s nedávnou matematickou a experimentální metastudií poskytující důkaz pro kombinaci náhodného rozdělení mtDNA při buněčných děleních a náhodného obratu molekul mtDNA v buňce. [152]

Oprava DNA Upravit

Mitochondrie mohou opravit oxidační poškození DNA mechanismy analogickými těm, které se vyskytují v buněčném jádru. Proteiny použité při opravě mtDNA jsou kódovány jadernými geny a jsou translokovány do mitochondrií. Cesty opravy DNA v mitochondriích savců zahrnují opravu excize bází, opravu přerušení dvou vláken, přímou reverzi a opravu nesouladu. [153] [154] Také poškození DNA lze translázní syntézou spíše obejít než opravit.

Z několika procesů opravy DNA v mitochondriích byla cesta opravy excize báze nejkomplexněji studována. [154] Oprava excize bází se provádí sekvencí enzymaticky katalyzovaných kroků, které zahrnují rozpoznávání a vyříznutí poškozené báze DNA, odstranění výsledného abazického místa, konečné zpracování, vyplnění mezery a ligaci. Běžným poškozením v mtDNA, které je opraveno opravou excizí bází, je 8-oxoguanin produkovaný oxidací guaninu. [155]

Dvouřetězcové zlomy mohou být opraveny homologní rekombinační opravou jak v savčí mtDNA [156], tak v rostlinné mtDNA. [157] Dvouřetězcové zlomy v mtDNA lze také opravit spojením konce zprostředkovaným mikrohomologií. [158] Ačkoli existují důkazy pro opravné procesy přímé reverze a opravy nesouladu v mtDNA, tyto procesy nejsou dobře charakterizovány. [154]

Nedostatek mitochondriální DNA Upravit

Některé organismy ztratily mitochondriální DNA úplně. V těchto případech byly geny kódované mitochondriální DNA ztraceny nebo přeneseny do jádra. [117] Kryptosporidium, mají mitochondrie, které postrádají jakoukoli DNA, pravděpodobně proto, že byly ztraceny nebo přeneseny všechny jejich geny. [159] V Kryptosporidium„mitochondrie mají pozměněný systém generování ATP, který činí parazita odolným vůči mnoha klasickým mitochondriálním inhibitorům, jako je kyanid, azid a atovaquon. [159] Mitochondrie, které postrádají vlastní DNA, byly nalezeny v mořském parazitickém dinoflagellátu z rodu Amoebophyra. Tento mikroorganismus, A. cerati, má funkční mitochondrie, které postrádají genom. [160] U příbuzných druhů má mitochondriální genom stále tři geny, ale v A. cerati pouze jeden mitochondriální gen - gen cytochrom c oxidázy I (cox1) - je nalezen a migroval do genomu jádra. [161]

Téměř absence genetické rekombinace v mitochondriální DNA z ní činí užitečný zdroj informací pro studium populační genetiky a evoluční biologie. [162] Protože je veškerá mitochondriální DNA zděděna jako jedna jednotka neboli haplotyp, lze vztahy mezi mitochondriální DNA od různých jedinců znázornit jako genový strom. Vzory v těchto genových stromech lze použít k odvození evoluční historie populací. Klasickým příkladem je evoluční genetika člověka, kde lze pomocí molekulárních hodin poskytnout nedávné datum mitochondriální Evy. [163] [164] To je často interpretováno jako silná podpora nedávné moderní lidské expanze z Afriky. [165] Dalším lidským příkladem je sekvenování mitochondriální DNA z kostí neandertálců. Relativně velká evoluční vzdálenost mezi mitochondriálními sekvencemi DNA neandertálců a žijících lidí byla interpretována jako důkaz nedostatku křížení mezi neandertálci a moderními lidmi. [166]

Mitochondriální DNA však odráží pouze historii žen v populaci. To lze částečně překonat použitím otcovských genetických sekvencí, jako je nerekombinující oblast chromozomu Y. [165]

Nedávná měření molekulárních hodin pro mitochondriální DNA [167] uváděla hodnotu 1 mutace každých 7884 let, která se datuje od posledního společného předka lidí a lidoopů, což je v souladu s odhady rychlosti mutací autozomální DNA (10 - 8 na základna za generaci). [168]

Mitochondriální choroby Upravit

Poškození a následná dysfunkce v mitochondriích je důležitým faktorem v řadě lidských onemocnění kvůli jejich vlivu na buněčný metabolismus. Mitochondriální poruchy se často projevují jako neurologické poruchy, včetně autismu. [15] Mohou se také projevovat jako myopatie, diabetes, mnohočetná endokrinopatie a řada dalších systémových poruch. [169] Mezi nemoci způsobené mutací v mtDNA patří Kearns – Sayreův syndrom, MELAS syndrom a Leberova dědičná optická neuropatie. [170] V drtivé většině případů tyto choroby přenáší žena na své děti, protože zygota odvozuje své mitochondrie a tím i svoji mtDNA z vajíčka. Předpokládá se, že nemoci, jako je Kearns-Sayreův syndrom, Pearsonův syndrom a progresivní vnější oftalmoplegie, jsou způsobeny rozsáhlými přestavbami mtDNA, zatímco další nemoci, jako je syndrom MELAS, Leberova dědičná optická neuropatie, syndrom MERRF a další, jsou způsobeny bodovými mutacemi v mtDNA. [169]

U jiných onemocnění vedou defekty jaderných genů k dysfunkci mitochondriálních proteinů. To je případ Friedreichovy ataxie, dědičné spastické paraplegie a Wilsonovy choroby. [171] Tato onemocnění se dědí v dominančním vztahu, což platí pro většinu ostatních genetických chorob. Různé poruchy mohou být způsobeny nukleárními mutacemi oxidačních fosforylačních enzymů, jako je nedostatek koenzymu Q10 a Barthův syndrom. [169] Vlivy prostředí mohou interagovat s dědičnými predispozicemi a způsobit mitochondriální onemocnění. Může například existovat souvislost mezi expozicí pesticidům a pozdějším nástupem Parkinsonovy choroby. [172] [173] Mezi další patologie s etiologií zahrnující mitochondriální dysfunkci patří schizofrenie, bipolární porucha, demence, Alzheimerova choroba, [174] [175] Parkinsonova choroba, epilepsie, mrtvice, kardiovaskulární onemocnění, syndrom chronické únavy, pigmentová retinitida a diabetes mellitus . [176] [177]

Mitochondriemi zprostředkovaný oxidační stres hraje roli v kardiomyopatii u diabetiků 2. typu. Zvýšené dodávání mastných kyselin do srdce zvyšuje příjem mastných kyselin kardiomyocyty, což má za následek zvýšenou oxidaci mastných kyselin v těchto buňkách. Tento proces zvyšuje redukční ekvivalenty dostupné pro elektronový transportní řetězec mitochondrií, což v konečném důsledku zvyšuje produkci reaktivních druhů kyslíku (ROS). ROS zvyšuje rozpojovací proteiny (UCP) a potencuje únik protonů přes adeninový nukleotidový translokátor (ANT), jehož kombinace rozpojuje mitochondrie. Odpojení pak zvyšuje spotřebu kyslíku mitochondriemi, což zvyšuje oxidaci mastných kyselin. To dále vytváří začarovaný kruh odpojování, přestože se zvyšuje spotřeba kyslíku, syntéza ATP se nezvyšuje proporcionálně, protože mitochondrie jsou odpojeny. Menší dostupnost ATP nakonec vede k energetickému deficitu, který se projevuje sníženou srdeční účinností a kontraktilní dysfunkcí. Aby se problém ještě zhoršil, zhoršené uvolňování vápníku sarkoplazmatickým retikulem a snížené zpětné vychytávání mitochondrií omezuje maximální cytosolické hladiny důležitého signálního iontu během svalové kontrakce. Snížená intra-mitochondriální koncentrace vápníku zvyšuje aktivaci dehydrogenázy a syntézu ATP. Kromě nižší syntézy ATP v důsledku oxidace mastných kyselin je syntéza ATP narušena také špatnou signalizací vápníku, což způsobuje srdeční problémy diabetikům. [178]

Vztahy ke stárnutí Upravit

Může dojít k určitému úniku vysokoenergetických elektronů v dýchacím řetězci za vzniku reaktivních forem kyslíku. Předpokládalo se, že to vede k významnému oxidačnímu stresu v mitochondriích s vysokou mírou mutací mitochondriální DNA. [179] Předpokládané vazby mezi stárnutím a oxidačním stresem nejsou nové a byly navrženy v roce 1956 [180], který byl později upřesněn v teorii stárnutí mitochondriálních volných radikálů. [181] Předpokládal se začarovaný kruh, protože oxidační stres vede k mitochondriálním mutacím DNA, které mohou vést k enzymatickým abnormalitám a dalšímu oxidačnímu stresu.

Během procesu stárnutí může mitochondriím dojít k řadě změn. [182] Tkáně od starších lidí vykazují pokles enzymatické aktivity proteinů dýchacího řetězce. [183] ​​Mutovanou mtDNA však lze nalézt pouze asi v 0,2% velmi starých buněk. [184] Předpokládá se, že velké delece v mitochondriálním genomu vedou k vysoké hladině oxidačního stresu a smrti neuronů u Parkinsonovy choroby. [185] Mitochondriální dysfunkce byla také prokázána u amyotrofické laterální sklerózy. [186] [187]

Protože mitochondrie pokrývají klíčovou roli ve funkci vaječníků, poskytnutím ATP nezbytného pro vývoj od zárodečných váčků po zralý oocyt může snížená funkce mitochondrií vést k zánětu, což má za následek předčasné selhání vaječníků a zrychlené stárnutí vaječníků. Způsobená dysfunkce se pak odráží jak v kvantitativních (jako je počet kopií mtDNA a delece mtDNA), kvalitativních (jako jsou mutace a přerušení vláken), tak v oxidačních poškozeních (jako jsou dysfunkční mitochondrie způsobené ROS), které nejsou relevantní pouze ve stárnutí vaječníků , ale narušují přeslechy oocytů a cumulus ve vaječníku, jsou spojeny s genetickými poruchami (například Fragile X) a mohou interferovat s výběrem embryí. [188]

První pozorování intracelulárních struktur, které pravděpodobně představovaly mitochondrie, byla publikována ve 40. letech 19. století. [189] Richard Altmann, v roce 1890, je založil jako buněčné organely a nazýval je „bioblasty“. [189] [190] V roce 1898 vytvořil Carl Benda termín „mitochondrie“ z řeckého μίτος, mitos, „vlákno“ a χονδρίον, chondrion„granule“. [191] [189] [192] Leonor Michaelis zjistil, že Janus green může být použit jako supravitální barvivo pro mitochondrie v roce 1900. V roce 1904 provedl Friedrich Meves první zaznamenané pozorování mitochondrií v rostlinách v buňkách leknínu bílého, Nymphaea alba [189] [193] a v roce 1908 spolu s Claudiem Regaudem navrhli, že obsahují proteiny a lipidy. Benjamin F. Kingsbury, v roce 1912, je poprvé spojil s buněčným dýcháním, ale téměř výhradně na základě morfologických pozorování.[189] V roce 1913 byly částice z extraktů jater morčat spojeny s dýcháním Otto Heinrichem Warburgem, kterému říkal „grana“. Warburg a Heinrich Otto Wielandovi, kteří rovněž předpokládali podobný mechanismus částic, se neshodli na chemické povaze dýchání. Teprve v roce 1925, kdy David Keilin objevil cytochromy, byl popsán dýchací řetězec. [189]

V roce 1939 experimenty s použitím mletých svalových buněk prokázaly, že buněčné dýchání s použitím jednoho atomu kyslíku může vytvořit dvě molekuly adenosintrifosfátu (ATP) a v roce 1941 Fritz vyvinul koncept fosfátových vazeb ATP jako formy energie v buněčném metabolismu Albert Lipmann. V následujících letech byl mechanismus buněčného dýchání dále rozpracován, ačkoli jeho vazba na mitochondrie nebyla známa. [189] Zavedení tkáňové frakcionace Albertem Claudem umožnilo izolovat mitochondrie z jiných buněčných frakcí a biochemickou analýzu provést pouze na nich. V roce 1946 dospěl k závěru, že cytochrom oxidáza a další enzymy zodpovědné za dýchací řetězec byly izolovány do mitochondrií. Eugene Kennedy a Albert Lehninger v roce 1948 zjistili, že mitochondrie jsou místem oxidační fosforylace v eukaryotech. Postupem času byla metoda frakcionace dále rozvíjena, zlepšovala se kvalita izolovaných mitochondrií a v mitochondriích se určoval výskyt dalších prvků buněčného dýchání. [189]

První elektronové mikrografy s vysokým rozlišením se objevily v roce 1952 a nahradily skvrny Janus Green jako preferovaný způsob vizualizace mitochondrií. [189] To vedlo k podrobnější analýze struktury mitochondrií, včetně potvrzení, že byly obklopeny membránou. Ukázalo to také druhou membránu uvnitř mitochondrií, která se skládala v hřebenech rozdělujících vnitřní komoru a že velikost a tvar mitochondrií se lišily od buňky k buňce.

Populární termín „powerhouse of the cell“ vytvořil Philip Siekevitz v roce 1957. [3]

V roce 1967 bylo zjištěno, že mitochondrie obsahují ribozomy. [194] V roce 1968 byly vyvinuty metody pro mapování mitochondriálních genů, přičemž genetická a fyzická mapa mitochondriální DNA kvasinek byla dokončena v roce 1976. [189]


Úvod

Udržování homeostázy skládání proteinů je zásadní pro všechny organismy a vyžaduje molekulární chaperony, které podporují funkční prostředí skládání proteinů tím, že brání agregaci nově syntetizovaných, nově importovaných nebo stresem denaturovaných proteinů a také usnadňují efektivní skládání a složité sestavování vznikajících polypeptidů. (Bukau et al., 2006 Young et al., 2004). Studie exprese chaperonu v reakci na akumulaci rozvinutého proteinu odhalily konzervované signální paradigma, kde je signalizace potlačována volnými chaperony, které nejsou zapojeny klientskými proteiny. Například v Escherichia coli, transkripční faktor σ32 je potlačen chaperonem Hsp70 DnaK (Guisbert et al., 2004). Po akumulaci rozvinutých proteinů DnaK přednostně interaguje s klienty a uvolňuje σ32, aby aktivoval transkripci operonu tepelného šoku. Následné zvýšení chaperonů obnovuje homeostázu skládající se z proteinů a přebytek volného DnaK je schopen interagovat s σ32, aby potlačil odpověď (Straus et al., 1990 Tilly et al., 1983).

V kompartmentalizovaných eukaryotických buňkách se vyvinulo několik cest nezávisle, aby byla zajištěna integrita prostředí skládajících se z proteinů v cytosolu, endoplazmatickém retikulu (ER) a mitochondriích. Všechny tři oddíly se setkávají s rodícími se rozloženými polypeptidy a každé má repertoár chaperonů specifických pro kompartmenty, které podporují efektivní skládání. Nesložený proteinový stres je snímán kompartmentově specifickým způsobem a signalizován do jádra pro indukci exprese kompartmentově specifických chaperonových genů.

Cytosolická reakce tepelného šoku, která udržuje v cytosolu homeostázu skládající se z bílkovin, je zprostředkována převážně rodinou transkripčních faktorů faktoru tepelného šoku (HSF) (obr. 1). Podobně jako výše popsaná bakteriální reakce se Hsp70 váže na transaktivační doménu HSF1, čímž potlačuje jeho transkripční aktivitu. Po tepelném šoku nebo jiném stavu, který narušuje skládání proteinu v cytosolu, Hsp70 přednostně interaguje s akumulujícími se nesloženými proteiny, čímž uvolňuje HSF1 a umožňuje mu transkripčně aktivovat geny promotory obsahujícími vazebná místa HSF1, jako jsou Hsp70, Hsp90 a proteazomální podjednotky (Perisic a kol., 1989 Shi a kol., 1998).

Signalizace v rámci UPR ER je výrazně komplikována potřebou transdukovat signál přes ER membránu do jádra (obr. 1). UPR ER je tripartitní signální cesta, která je regulována třemi transmembránovými proteiny lokalizovanými v ER. Inositol-vyžadující 1 (IRE1), endoplazmatická retikulum kináza podobná PINK (protein-kinase) a aktivující transkripční faktor 6 (ATF6)-všechny sledují stav skládání bílkovin v lumenu ER prostřednictvím přímých interakcí s proteinem imunoglobulinu vázajícího ER chaperon ( BiP) (Ma a Hendershot, 2001 Ron a Walter, 2007). V nejzachovalejší větvi UPR ER je IRE1 aktivován jeho disociací z BiP, což má za následek oligomerizaci IRE1 a aktivaci jeho cytosolické domény, která obsahuje sekvenčně specifickou aktivitu RNázy, která spojuje protein 1 vázající X-box (XBP1) mRNA. Spojeno XBP1 je poté přeložen do transkripčního faktoru základního leucinového zipu (bZip), který se přenáší do jádra, kde upreguluje geny kódující ER chaperony a degradační aparát spojený s ER (Calfon et al., 2002 Yoshida et al., 2001).

Zde přezkoumáváme aktuální výsledky jak z buněčné kultury savců, tak z Caenorhabditis elegans na koncepčně podobné dráze označované jako mitochondriální rozvinutá proteinová odpověď (UPR mt). UPR mt je stresová reakce, která aktivuje transkripci jaderně kódovaných mitochondriálních chaperonových genů k podpoře proteinové homeostázy v organele. Zaměřujeme se na nedávno identifikované složky potřebné pro signalizaci reakce a na základní biologické podmínky, kde je aktivní.


Mají geny kódované jádrem pro mitochondriální proteiny introny? - Biologie

Přehled
Mitochondriální DNA (mtDNA) většiny zvířat je uspořádána do kruhového genomu o délce 15 až 20 kB. Většina zvířecích mtDNA kóduje 13 proteinů, dvě ribozomální RNA a 22 přenosových RNA. Organizace genů je kompaktní: kromě oblasti, které se někdy říká D smyčka nebo kontrolní oblast, zapojené do iniciace replikace a transkripce DNA, existuje malá sekvence, která nekóduje protein nebo RNA. Většina zvířecích mitochondrií nemá introny. U některých zvířat jsou všechny geny a RNA přepsány z jednoho vlákna v jiných, nacházejí se na obou vláknech. Každý řetězec může být transkribován jako jeden velký polycistron, který je později post-transkripčně zpracován do samostatných RNA. TRNA, které se skládají do struktur kmenové smyčky, mohou signalizovat toto štěpení.

Mitochondriální proteiny
Jedenáct ze 13 proteinů nalezených v živočišné mtDNA je podjednotkami tří hlavních komplexů enzymů vázaných na membránu v dýchacím řetězci. NADH dehydrogenázové podjednotky 1-6 a 4L (ND1-6 a ND4L) jsou složkami komplexu NADH dehydrogenázy. Cytochrom b (CYTB) je podjednotkou komplexu cytochromu b-c1. Podjednotky cytochrom c oxidázy I-III (COX1-3) jsou součástí komplexu cytochrom oxidázy. Kromě toho jsou v metazoanové mtDNA kódovány dvě podjednotky ATP syntázy, podjednotky 6 a 8 ATP syntázy F0 (ATP6, 8). V jádru jsou syntetizovány další mitochondriální proteiny, které jsou transportovány do mitochondrií z cytoplazmy.

Mitochondriální RNA
Živočišná mtDNA obsahuje dvě rRNA, s-rRNA (12S) a l-rRNA (16S), které kódují složky RNA malých a velkých podjednotek mitochondriálních ribozomů. Mitochondriální genomy kódují 22 tRNA, jeden pro každou z 18 aminokyselin a dva pro serin a leucin. Jedna tRNA může přečíst všechny čtyři kodony v rodině čtyř kodonů. Na rozdíl od jaderných molekul tRNA není primární a sekundární struktura dobře konzervována. Mitochondriální genetický kód se liší od toho, který používají jaderné geny. Navíc kodon iniciace translace není omezen na AUG a některé kodony terminace jsou vytvořeny polyadenylací transkriptu.

Organizace genomu
Pořadí genů a RNA v mtDNA pomohlo fylogenistům porozumět metazoanské evoluci. Pořadí genů mezi savci a paprskoploutvými rybami je totožné. V jiných skupinách příbuzných organismů je však pořadí genů zcela odlišné (viz například sauropsidy a členovce).

„Nestandardní“ organizace genomu
Ze 105 metazoanských mitochondriálních referenčních sekvencí je 100 coelomátů. Všechny mitochondrie coelomátu kódují 13 proteinů, 22 tRNA a 2 rRNA. U tří pseudocoelomátů, všech hlístic, a jednoho acoelomátu, Echinococcus multilocularis (echinococcosis tapeworm), chybí gen pro ATP8. Mitochondrie cnidarian Metridium senile (sasanka hnědá) obsahuje všechny geny a navíc ORF, ale chybí mu všechny tRNA kromě Trp a Met. Jeho geny COX1 a ND5 obsahují introny, oba kódují jiné geny.


Proč mitochondrie potřebují vlastní DNA?

Jak již bylo řečeno, endosymbiotická teorie, která je velmi široce přijímaná, uvádí, že chloroplasty i mitochondrie byly kdysi vlastními bakteriemi. Věříme, že moderními ekvivalenty jsou sinice a proteobakterie.

Několik pěkných důkazů:

Kruhové genomy, jak je vidět na bakteriích

Žádné vlastní jádro a žádný obal chromatinu (prokaryotické rysy)

Žádné introny jako v eukaroytických systémech

Dvojitá membrána podobná vnitřní a vnější membráně gramnegativních bakterií.

Replikujte v jiném bodě buněčného cyklu na jiné organely

Ale mají "citovanou vlastní DNA"? Ne, nemají 't. Ale je to systém, který funguje, a příroda umí dobře udržovat systémy, které fungují, i když nejsou optimálním systémem. Značné množství mtDNA a chDNA migrovalo do jádra tak, že mtDNA již plně nekóduje fungující mitochondrii. Proč celá DNA nemigruje do jádra? Protože tento systém funguje :)

Jde o to, že máte dvojitou membránu. Protože původní endosymbiotická událost dala bakteriím druhou vrstvu z hostitelské buňky, jak tato charakteristika přežila? Myslel bych, že v žádné sadě genetického materiálu nebude nic, co by to zakódovalo.

A pokud si dobře pamatuji, když použijete genetická data k vykreslení mitochondriální DNA na fylogenezi (jakýsi rodokmen), vyjde to jasně jako bakterie.

Zde je nízký počet mitochondriálních ribozomů: mitochondriální ribozomy jsou považovány za homologní s bakteriálními ribozomy. Existuje řada proteinů a RNA ribozomů, které mají podobné (a občas identické) sekvence a u některých bylo prokázáno, že jsou schopné se navzájem funkčně nahradit. Uvedu příklad: pučící kvasinky (Saccharomyces cerevisiae) mají mitochondriální ribozomální protein nazývaný MRPS28p, který je na úrovni aminokyselin 38% identický s E-coli ribozomální protein S15. Kvasinkový protein je větší než bakteriální verze, ale když byly exprimovány dvě domény kvasinkového proteinu E-coli buňky postrádající S15, buňky byly schopné obnovit funkce S15. Měl bych poznamenat, že choloroplastové ribozomy jsou ještě nápadnější ve své podobnosti s bakteriálními ribozomy.

Také mitochondriálně kódované geny mohou obsahovat introny (ačkoli mnoho, mnoho don 't). Podívejte se na Serephin et al Konstrukce kvasinkového kmene bez mitochondriálních intronů a jeho použití pro screening jaderných genů zapojených do sestřihu mitochondrií. Proč Natl Acad Sci U S A. 1987 Oct84 (19): 6810-4. PDF.

Má rRNA, protože má vlastní ribozomy:

V biologii a vědě obecně existuje určitá krása, kterou literární fikce vždy nedokázala zachytit. Nejlepší autoři mohou pokračovat dál a dál o filozofii mysli nebo o zážitku z poslechu hudby, kterou poprvé zbožňujete, ale nic se nikdy nevyrovnalo vnitřní kráse moderního chápání vesmíru. Jen doufám, že jednoho dne dokážeme tu krásu zachytit v próze.

Řada mitochondriálních kodonů kóduje jiné aminokyseliny než chromozomální DNA lidí, což možná znemožňuje další migraci mtDNA na lidský chromozom.

Co to znamená, když říkáte, že mtDNA již plně nekóduje fungující mitochondrii?

Vyhledal jsem citát z vaší úpravy mitochondriálních ribozomů a proč nepodporují endosymbiotickou teorii, a zdá se, že jde o článek z deníku Answers založený na webu & quotAnswers in Genesis & quot ;.

Obávám se, jak nezaujatý je tento zdroj, protože v jejich popisu se uvádí, že & quot; Odpovědi Research Journal (ARJ) je odborný, recenzovaný technický časopis pro vydávání interdisciplinárního vědeckého a dalšího relevantního výzkumu z pohledu nedávného Stvoření a globální potopa v biblickém rámci. & quot

Existuje další časopis, který také publikoval tento argument o mitoribozomech?

Myslím, že jsi slovo ve své poslední (editační) odrážce. Myslím, že jste se snažil říci, že organely, jako je chloroplast a mitochondrie, mají svou vlastní ribozomální RNA. Ve své práci v oblasti mikrobiální ekologie jsem na to narazil, protože bakteriální „vesmírné“ 16S primery mohou také zesílit chloroplasty 16S a eukaryotické 18S.

Máme docela dobrý nápad, proč mtDNA existuje. Geny, které jsou ponechány v mitochondriích, slouží k regulaci buněčného dýchání způsobem, že by centrální regulační mechanismy buňky nefungovaly - byly by příliš pomalé a měly by problémy s lokalizací konkrétního mitochondrií, který potřebuje regulaci.

Nemohu si vzpomenout na přesné detaily regulace, ale zhruba mtDNA kóduje proteinové struktury účastnící se řetězce transportu elektronů, které umožňují mitochondrii zrychlit nebo zpomalit části cyklu. Pokud tak neučiníte, uvolní se do buňky chemické signály k zahájení apoptózy (buněčné smrti).

Zdroj: článek WP a kniha s názvem „Síla, sex, sebevražda: mitochondrie a smysl života“, kterou jsem četl před časem.

Jsem zvědavý na dvě negativní vlastnosti, které jste zmínil. Jsou pozitivní vlastnosti typické pro eukaryotické organely, nebo jde o vlastnosti, které mitochondrie jen tak náhodou nesdílí s eukaryotickými buňkami?

Byl jsem si docela jistý, že mitochondriální ribozomy mají 70S rRNA (stejně jako prokaryoty) a eukes mají 80S- podporující endosymbiotickou teorii. Mnoho rozdílů, které můžete vidět mezi mit rRNA a prokaryotovou rRNA, může být důsledkem odlišné evoluce

Kompletní mitochondrie (jako ty, které se nacházejí u lidí, rostlin a většiny eukaryot) zřejmě potřebují mitochondriální DNA (mtDNA), aby si udržely svůj výrazný tvar. Kvasinkové buňky, kterým chybí mtDNA (známé jako buňky rho0), mají abnormální mitochondriální morfologii. Ale počet mitochondrií se mezi buňkami rho0 a rho+ neliší. Vědci tedy dospěli k závěru, že mtDNA je nezbytná pro správnou morfologii/tvar mitochondrií, ale ne pro jejich generaci. Důkazy pro to pocházejí z:

Holmuhamedov et al. Delece mtDNA narušuje mitochondriální funkci a strukturu, ale ne biogenezi. Mitochondrion. 3. srpna 2003 (1): 13-9.

A pokud nejste přesvědčeni, že tvar mitochondrie je důležitý, pamatujte, že enzymy, které tvoří dýchací řetězec, jsou seskupeny v cristae vnitřní membrány, což umožňuje zvýšenou rychlost dýchání. Dále se spekuluje, že moropologie vnitřní membrány usnadňuje nezbytné interakce mezi komplexy dýchacího řetězce.

*Edit: objasněno, že nemluvím o mitozomech, na rozdíl od /u /PsiWavefunction (který má velmi dobré body)


Úvod

Mitochondrie jsou přímými potomky bakterie, která byla pohlcena primitivní eukaryotickou hostitelskou buňkou (recenze Gray et al., 1999). V průběhu času mitochondrie ztratila nebo přenesla většinu své genetické informace do jádra. Velká část tohoto přenosu nastala brzy po vzniku mitochondriální endosymbiózy (Gray, 1992). Zdá se, že přenos genů a funkční aktivace u zvířat přestaly, což dokazuje jejich téměř konstantní obsah mitochondriálního genu (Boore, 1999). V rostlinách však byla identifikována řada evolučně nedávných událostí přenosu genů z mitochondrií do jádra, což naznačuje, že přenos genů stále probíhá (Adams et al., 2000 Adams et al., 2001 Covello a Gray, 1992 Figueroa et al., 1999a Figueroa et al., 1999b Grohmann et al., 1992 Kadowaki et al., 1996 Kobayashi et al., 1997 Kubo et al., 1999 Kubo et al., 2000 Nugent a Palmer, 1991 Sanchez et al., 1996 Wischmann a Schuster, 1995). Tyto události přenosu genů nabízejí jedinečnou příležitost studovat přenos genů, což je proces, který má zásadní význam pro vznik a vývoj organel v eukaryotických buňkách.

Aktivace jaderného genu po přenosu z organely vyžaduje získání řady prvků pro regulaci a cílení, včetně promotoru, polyadenylačního signálu a prequence mitochondriálního cílení (Brennicke) et al., 1993). Při přenosu do jádra je důležité, aby gen poměrně rychle získal regulační a transportní sekvence, než se deaktivuje náhodnými mutacemi (Thorsness a Weber, 1996). Bylo pozorováno několik různých možných mechanismů získávání mitochondriálních předsekvencí (Adams et al., 2000 Adams et al., 2001 Figueroa et al., 1999a Kadowaki et al., 1996 Kubo et al., 1999 ).

Přenos genu pro cytochrom C podjednotka oxidázy (cox2) v luštěninách (Adams et al., 1999 Covello a Gray, 1992 Nugent a Palmer, 1991) představuje gen, který se téměř výhradně nachází v mitochondriálním genomu a jehož produktem je hydrofobní integrální membránový protein (Lang et al., 1999). (U podjednotky 2 cytochromu následovala nomenklatura C oxidáza se mezi organismy liší, zde se řídíme pokyny pro nomenklaturu rostlinných genů (Cena et al., 1996) - mitochondriálně kódovaná podjednotka 2 cytochromu C je označena oxidáza cox2, jaderně kódovaná podjednotka 2 cytochromu C oxidázy Cox2a protein je označen Cox2.)

Ve všech zkoumaných luštěninách jaderná kopie Cox2 získala homologní N-terminální prodloužení navržené jako mitochondriální zaměřovací signál, které je odděleno od oblasti přenesené z mitochondriálního genomu homologním intronem (Adams et al., 1999 Covello a Gray, 1992 Nugent a Palmer, 1991). Studium Cox2 v luštěninách poskytuje příležitost získat vhled do přenosu genů pro membránové proteiny, což může představovat jedinečné problémy při cílení, třídění nebo sestavování.Jeden pohled na retenci takových genů v mitochondriálních genomech se týká hydrofobní povahy jejich genových produktů, u nichž se navrhuje, aby způsobovaly potíže při retargetingu a/nebo intraorganelním třídění (Claros et al., 1995 Popot a de Vitry, 1990 von Heijne, 1986).

V této studii jsme charakterizovali dovoz sójového jaderného Cox2 (GMCox2) do mitochondrií. Naše výsledky identifikují klíčové kroky v evoluční aktivaci přeneseného Cox2 gen.


VÝSLEDEK

Identifikace lokusů metabolismu mitochondriální DNA a RNA na chromozomu III u Arabidopsis

Rozsáhlý průzkum genomu Arabidopsis na geny, které by mohly být zapojeny do udržovacích funkcí mitochondriálního genomu, odhalil přítomnost řady genů na chromozomu III, které podle všeho kódovaly mitochondriální proteiny na základě jejich homologie prokaryotické sekvence a schopnosti cílení. Naše srovnání se známými rickettsiálními a kvasinkovými mitochondriálními proteiny metabolismu DNA a RNA naznačují, že několik genů v tomto intervalu bylo zapojeno do podobných funkcí. Seznam identifikovaných genů je uveden v tabulce 1

Předpokládané mitochondriální geny v genově bohaté oblasti chromozomu III

Locus. Umístění (Mbp). Anotace. TargetP. MitoProt. Predotar. Potvrzená lokalizace. EST nebo cDNA. Homologie a zachované funkce. Rýžová homologie a hodnota P.
Místa metabolismu DNA
At3g10140 3.134 Domnělý RecA 0.861 0.9384 0.998 AY072877 DMC1, Saccharomyces cerevisiaeChromozom 1, 7,7e-55 a
At3g10270 3.17 Předpokládaná podjednotka DNA gyrázy B 0.801 0.9997 0.997 1 GyrB, Nostoc punctiformeChromozom 1, 2,5e-133 a
At3g10690 3.34 Domnělá podjednotka DNA gyrázy A ct 0,975/mt 0,879 0.99 p 0,998/mt 0,967 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 3 GyrA, Nostoc punctiformeChromozom 3, 2,6e-150 a
At3g18580 6.397 Hypotetický protein 0.717 0.9948 0.544 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 Jednovláknový protein vázající DNA, Escherichia coliChromozom 1, 5e-38 a
At3g20390 7.11 Translační inhibitor, domnělý p 0,497 0.795 mt 0,617 mt c (Oxelmark et al., 2000) AY066547 Údržba mitochondriální DNA MMF1p Chromozom 7, 6,2 e-26 a
At3g20540 7.168 DNA polymeráza, předpokládaná 0.741 0.8028 0.776 mt/ct d (tato zpráva) AY195962 γ-podobná DNA polymeráza, podobná Pol1 Chromozom 8/4, 5,6e-207 a /7,7e-178
At3g24340 8.831 Hypotetický protein 0.338 0.2168 0.77 1 Oprava a rekombinace DNA RAD26, helikáza Chromozom 3, 7,4e-135 a
Neshoda míst opravy
At3g14890 5.008 Předpokládaný snímač DNA nick ct 0,576/mt 0,269 0.8207 ct 0,922 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) AF453835 3 'DNA fosfatáza Chromozom 1, 6,2 e-60 a
At3g18630 6.413 Předpokládaná uracil-DNA glykosyláza ct 0,928 0.3255 mt 0,933 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 3 UNG1, člověk Chromozom 4, 2,1 e-70 a
At3g24320 8.823 Předpokládaný nesoulad bílkovin 0.857 0.961 0.943 mt d (Abdelnoor et al., 2003) AY191303 MSH1, kvasinky Chromozom 4, 1e-221 a
At3g26690 9.804 Protein podobný MutT 0.79 0.5745 0.151 3 bis (5'nukleosyl) tetraphosphatase Chromozom 4, 6,2 e-12 a
At3g46940 17.60 dUTP podobná pyrofosfatáze ct 0,305 Žádný ct 0,985 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DUT1, kvasnice, dUTPase Chromozom 3, 0,000025 a
At3g50880 19.22 Předpokládaná DNA 3-methyladenin glykosyláza ct 0,843 0.1253 Žádný mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 1 Kvasinkový mág, lidský MPG Chromozom 1, 1,1e-66 a
At3g51690 19.49 Homolog helikázy DNA PIF1 ct 0,253 0.017 ct 0,188 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DNA helikáza PIF1, kvasinky Chromozom 10, 6,3 e-53
At3g51880 19.56 Protein podobný HMG2 mt 0,121 0.0851 ct 0,716 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 10 Kvasinky ABF2, lidská TFAM Chromozom 8, 0,00075 a
Místa metabolismu RNA
At3g01410 1.536 RNAza H 0.651 0.938 0.962 4 Chromozom 8, 2,6e-33 a
At3g09210 2.825 Neznámý protein 0.536 0.571 0.583 2 NusG, transkripční anti-terminace Chromozom 3, 7,3e-45 a
At3g18090 6.195 DNA polymerovaná RNA polymeráza II Žádný Žádný Žádný mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 RNA polymeráza II zaměřená na DNA, druhý největší řetězec Chromozom 4, 3,3e-312 a
At3g22310 7.887 Předpokládaná RNA helikáza 0.771 0.9552 0.982 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 7 DEAD-box rodinné helikázy Chromozom 4, 2,5e-116 a
At3g22330 7.892 Předpokládaná RNA helikáza 0.635 0.9406 0.943 mt b (Millar et al., 2001) 3 RRP3/DBP1, S. cerevisiaeChromozom 4, 1,6e-127 a
At3g23780 8.568 DNA polymerovaná RNA polymeráza, domnělá 0.42 0.253 0.92 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 DNA polymerovaná RNA polymeráza, Arabidopsis, kvasinky Chromozom 4, 1,8e-294 a
At3g23830 8.607 Gly bohatý protein vázající RNA 0.504 0.8331 ct 0,920 mt b (Vermel et al., 2002) 6 RNP-T, Arabidopsis NSR-1, S. cerevisiaeChromozom 1, 6,4e-18 a
At3g25430 9.22 Hypotetický protein 0.464 0.9284 0.982 AY062664 Poly (A) specifická ribonukleáza Chromozom 8, 3,2e-69 a
Další relevantní lokusy
At3g05780 1.714 Proteáza typu LON Ser mt 0,587 0.9110 Žádný mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,8e-228 a
At3g05790 1.720 Proteáza typu LON Ser ct 0,589 0.8992 ct 0,852 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,5e-265 a
At3g07200 2.291 Prsten Zn protein prstu, domnělý 0.84 0.87 0.98 1 Zinkový prst, 3HC4 Chromozom 1, 1,5e-14 a
At3g10010 3.111 DML2 Žádný Žádný Žádný 1 Homolog n -nukleázy Chromozom 1, 3,2 e-64 a
At3g10110 3.116 TIM22-3 - e 1 Mitochondriální import, translokátor vnitřní membrány Chromozom 3, 0,002 a
At3g10810 3.38 Prsten Zn prst, domnělý 0.819 0.935 0.790 2 Zinkový prst, typ C3HC4 Chromozom 1, 1,1e-31 a
Za 3 g 15 000 5.050 Vyjádřený protein ct 0,914 0.990 mt 0,989 mt b (Kruft et al., 2001) AF428427 Podobně jako protein DAG, AntirrhinumChromozom 9/6, 3e-21 a
Za 3 g 20 000 6..967 TOM40 mt b (Kruft et al., 2001) 11 Protein importující membránu Chromozom 3/1, 3,8e-49 a
At3g23990 8.668 Hsp60 mt 0,843 0.9897 0.999 mt b (Kruft et al., 2001) 9 Ovlivňuje stabilitu mitochondriální DNA v kvasinkách Chromozom 10, 4,5e-150 a
At3g25100 9.144 Cdc45-like 0.087 0.131 0.998 0 Minichromozom CDC45, replikace DNA Chromozom 11, 1,7 e-199 a
At3g26480 9.687 WD-opakující se protein mt 0,457 0.736 0.805 2 DIP2, CRN1, meióza Chromozom 12, 7,4e-58 a
At3g27070 9.982 TOM-20-1 mt b (Werhahn et al., 2001) 2 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 4,6e-10 a
At3g27080 9.984 TOM-20-3 mt b (Werhahn et al., 2001) 8 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 7,5 e-22 a
At3g27360 10.129 Histon H3 ct 0,765 0.992 mt 0,995 mt b (Vermel et al., 2002) AY077654 Váže jednovláknovou mitochondriální DNA Chromozom 1/4/5/6/11, 1,8e-55 a
At3g58610 21.98 Ketol -reduktoisomeráza ct 0,980 0.963 mt 0,995 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 71 ILV5, kvasinky Chromozom 1, 2,5e-209 a
Locus. Umístění (Mbp). Anotace. TargetP. MitoProt. Predotar. Potvrzená lokalizace. EST nebo cDNA. Homologie a zachované funkce. Rýžová homologie a hodnota P.
Místa metabolismu DNA
At3g10140 3.134 Domnělý RecA 0.861 0.9384 0.998 AY072877 DMC1, Saccharomyces cerevisiaeChromozom 1, 7,7e-55 a
At3g10270 3.17 Předpokládaná podjednotka DNA gyrázy B 0.801 0.9997 0.997 1 GyrB, Nostoc punctiformeChromozom 1, 2,5e-133 a
At3g10690 3.34 Domnělá podjednotka DNA gyrázy A ct 0,975/mt 0,879 0.99 p 0,998/mt 0,967 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 3 GyrA, Nostoc punctiformeChromozom 3, 2,6e-150 a
At3g18580 6.397 Hypotetický protein 0.717 0.9948 0.544 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 Jednovláknový protein vázající DNA, Escherichia coliChromozom 1, 5e-38 a
At3g20390 7.11 Translační inhibitor, domnělý p 0,497 0.795 mt 0,617 mt c (Oxelmark et al., 2000) AY066547 Údržba mitochondriální DNA MMF1p Chromozom 7, 6,2 e-26 a
At3g20540 7.168 DNA polymeráza, předpokládaná 0.741 0.8028 0.776 mt/ct d (tato zpráva) AY195962 γ-podobná DNA polymeráza, podobná Pol1 Chromozom 8/4, 5,6e-207 a /7,7e-178
At3g24340 8.831 Hypotetický protein 0.338 0.2168 0.77 1 Oprava a rekombinace DNA RAD26, helikáza Chromozom 3, 7,4e-135 a
Neshoda míst opravy
At3g14890 5.008 Předpokládaný snímač DNA nick ct 0,576/mt 0,269 0.8207 ct 0,922 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) AF453835 3 'DNA fosfatáza Chromozom 1, 6,2 e-60 a
At3g18630 6.413 Předpokládaná uracil-DNA glykosyláza ct 0,928 0.3255 mt 0,933 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 3 UNG1, člověk Chromozom 4, 2,1 e-70 a
At3g24320 8.823 Předpokládaný nesoulad bílkovin 0.857 0.961 0.943 mt d (Abdelnoor et al., 2003) AY191303 MSH1, kvasinky Chromozom 4, 1e-221 a
At3g26690 9.804 Protein podobný MutT 0.79 0.5745 0.151 3 bis (5'nukleosyl) tetraphosphatase Chromozom 4, 6,2 e-12 a
At3g46940 17.60 dUTP podobná pyrofosfatáze ct 0,305 Žádný ct 0,985 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DUT1, kvasnice, dUTPase Chromozom 3, 0,000025 a
At3g50880 19.22 Předpokládaná DNA 3-methyladenin glykosyláza ct 0,843 0.1253 Žádný mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 1 Kvasinkový mág, lidský MPG Chromozom 1, 1,1e-66 a
At3g51690 19.49 Homolog helikázy DNA PIF1 ct 0,253 0.017 ct 0,188 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DNA helikáza PIF1, kvasinky Chromozom 10, 6,3 e-53
At3g51880 19.56 Protein podobný HMG2 mt 0,121 0.0851 ct 0,716 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 10 Kvasinky ABF2, lidská TFAM Chromozom 8, 0,00075 a
Místa metabolismu RNA
At3g01410 1.536 RNAza H 0.651 0.938 0.962 4 Chromozom 8, 2,6e-33 a
At3g09210 2.825 Neznámý protein 0.536 0.571 0.583 2 NusG, transkripční anti-terminace Chromozom 3, 7,3e-45 a
At3g18090 6.195 DNA polymerovaná RNA polymeráza II Žádný Žádný Žádný mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 RNA polymeráza II zaměřená na DNA, druhý největší řetězec Chromozom 4, 3,3e-312 a
At3g22310 7.887 Předpokládaná RNA helikáza 0.771 0.9552 0.982 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 7 DEAD-box rodinné helikázy Chromozom 4, 2,5e-116 a
At3g22330 7.892 Předpokládaná RNA helikáza 0.635 0.9406 0.943 mt b (Millar et al., 2001) 3 RRP3/DBP1, S. cerevisiaeChromozom 4, 1,6e-127 a
At3g23780 8.568 DNA polymerovaná RNA polymeráza, domnělá 0.42 0.253 0.92 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 DNA polymerovaná RNA polymeráza, Arabidopsis, kvasinky Chromozom 4, 1,8e-294 a
At3g23830 8.607 Gly bohatý protein vázající RNA 0.504 0.8331 ct 0,920 mt b (Vermel et al., 2002) 6 RNP-T, Arabidopsis NSR-1, S. cerevisiaeChromozom 1, 6,4e-18 a
At3g25430 9.22 Hypotetický protein 0.464 0.9284 0.982 AY062664 Poly (A) specifická ribonukleáza Chromozom 8, 3,2e-69 a
Další relevantní lokusy
At3g05780 1.714 Proteáza typu LON Ser mt 0,587 0.9110 Žádný mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,8e-228 a
At3g05790 1.720 Proteáza typu LON Ser ct 0,589 0.8992 ct 0,852 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,5e-265 a
At3g07200 2.291 Prsten Zn protein prstu, domnělý 0.84 0.87 0.98 1 Zinkový prst, 3HC4 Chromozom 1, 1,5e-14 a
At3g10010 3.111 DML2 Žádný Žádný Žádný 1 Homolog n -nukleázy Chromozom 1, 3,2 e-64 a
At3g10110 3.116 TIM22-3 - e 1 Mitochondriální import, translokátor vnitřní membrány Chromozom 3, 0,002 a
At3g10810 3.38 Prsten Zn prst, domnělý 0.819 0.935 0.790 2 Zinkový prst, typ C3HC4 Chromozom 1, 1,1e-31 a
Za 3 g 15 000 5.050 Vyjádřený protein ct 0,914 0.990 mt 0,989 mt b (Kruft et al., 2001) AF428427 Podobně jako protein DAG, AntirrhinumChromozom 9/6, 3e-21 a
Za 3 g 20 000 6..967 TOM40 mt b (Kruft et al., 2001) 11 Protein importující membránu Chromozom 3/1, 3,8e-49 a
At3g23990 8.668 Hsp60 mt 0,843 0.9897 0.999 mt b (Kruft et al., 2001) 9 Ovlivňuje stabilitu mitochondriální DNA v kvasinkách Chromozom 10, 4,5e-150 a
At3g25100 9.144 Cdc45-like 0.087 0.131 0.998 0 Minichromozom CDC45, replikace DNA Chromozom 11, 1,7 e-199 a
At3g26480 9.687 WD-opakující se protein mt 0,457 0.736 0.805 2 DIP2, CRN1, meióza Chromozom 12, 7,4e-58 a
At3g27070 9.982 TOM-20-1 mt b (Werhahn et al., 2001) 2 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 4,6e-10 a
At3g27080 9.984 TOM-20-3 mt b (Werhahn et al., 2001) 8 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 7,5 e-22 a
At3g27360 10.129 Histon H3 ct 0,765 0.992 mt 0,995 mt b (Vermel et al., 2002) AY077654 Váže jednovláknovou mitochondriální DNA Chromozom 1/4/5/6/11, 1,8e-55 a
At3g58610 21.98 Ketol -reduktoizomeráza ct 0,980 0.963 mt 0,995 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 71 ILV5, kvasinky Chromozom 1, 2,5e-209 a

Lokalizace potvrzena proteomickými daty.

U jiných druhů je homologní protein mitochondriální.

Lokalizace potvrzena experimentálními daty.

Tento protein nemá cílový peptid.

ct, chloroplast mt, mitochondrie Žádné, žádná významná cílová hodnota p, plast.

Předpokládané mitochondriální geny v genově bohaté oblasti chromozomu III

Locus. Umístění (Mbp). Anotace. TargetP. MitoProt. Predotar. Potvrzená lokalizace. EST nebo cDNA. Homologie a zachované funkce. Rýžová homologie a hodnota P.
Místa metabolismu DNA
At3g10140 3.134 Domnělý RecA 0.861 0.9384 0.998 AY072877 DMC1, Saccharomyces cerevisiaeChromozom 1, 7,7e-55 a
At3g10270 3.17 Předpokládaná podjednotka DNA gyrázy B 0.801 0.9997 0.997 1 GyrB, Nostoc punctiformeChromozom 1, 2,5e-133 a
At3g10690 3.34 Domnělá podjednotka DNA gyrázy A ct 0,975/mt 0,879 0.99 p 0,998/mt 0,967 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 3 GyrA, Nostoc punctiformeChromozom 3, 2,6e-150 a
At3g18580 6.397 Hypotetický protein 0.717 0.9948 0.544 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 Jednovláknový protein vázající DNA, Escherichia coliChromozom 1, 5e-38 a
At3g20390 7.11 Translační inhibitor, domnělý p 0,497 0.795 mt 0,617 mt c (Oxelmark et al., 2000) AY066547 Údržba mitochondriální DNA MMF1p Chromozom 7, 6,2 e-26 a
At3g20540 7.168 DNA polymeráza, domnělá 0.741 0.8028 0.776 mt/ct d (tato zpráva) AY195962 γ-podobná DNA polymeráza, podobná Pol1 Chromozom 8/4, 5,6e-207 a /7,7e-178
At3g24340 8.831 Hypotetický protein 0.338 0.2168 0.77 1 Oprava a rekombinace DNA RAD26, helikáza Chromozom 3, 7,4e-135 a
Neshoda míst opravy
At3g14890 5.008 Předpokládaný snímač DNA nick ct 0,576/mt 0,269 0.8207 ct 0,922 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) AF453835 3 'DNA fosfatáza Chromozom 1, 6,2 e-60 a
At3g18630 6.413 Předpokládaná uracil-DNA glykosyláza ct 0,928 0.3255 mt 0,933 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 3 UNG1, člověk Chromozom 4, 2,1 e-70 a
At3g24320 8.823 Předpokládaný nesoulad bílkovin 0.857 0.961 0.943 mt d (Abdelnoor et al., 2003) AY191303 MSH1, kvasinky Chromozom 4, 1e-221 a
At3g26690 9.804 Protein podobný MutT 0.79 0.5745 0.151 3 bis (5'nukleosyl) tetraphosphatase Chromozom 4, 6,2 e-12 a
At3g46940 17.60 dUTP podobná pyrofosfatáze ct 0,305 Žádný ct 0,985 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DUT1, kvasnice, dUTPase Chromozom 3, 0,000025 a
At3g50880 19.22 Předpokládaná DNA 3-methyladenin glykosyláza ct 0,843 0.1253 Žádný mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 1 Kvasinkový mág, lidský MPG Chromozom 1, 1,1e-66 a
At3g51690 19.49 Homolog helikázy DNA PIF1 ct 0,253 0.017 ct 0,188 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DNA helikáza PIF1, kvasinky Chromozom 10, 6,3 e-53
At3g51880 19.56 Protein podobný HMG2 mt 0,121 0.0851 ct 0,716 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 10 Kvasinky ABF2, lidská TFAM Chromozom 8, 0,00075 a
Místa metabolismu RNA
At3g01410 1.536 RNAza H 0.651 0.938 0.962 4 Chromozom 8, 2,6e-33 a
At3g09210 2.825 Neznámý protein 0.536 0.571 0.583 2 NusG, transkripční anti-terminace Chromozom 3, 7,3e-45 a
At3g18090 6.195 DNA polymerovaná RNA polymeráza II Žádný Žádný Žádný mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 RNA polymeráza II zaměřená na DNA, druhý největší řetězec Chromozom 4, 3,3e-312 a
At3g22310 7.887 Předpokládaná RNA helikáza 0.771 0.9552 0.982 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 7 DEAD-box rodinné helikázy Chromozom 4, 2,5e-116 a
At3g22330 7.892 Předpokládaná RNA helikáza 0.635 0.9406 0.943 mt b (Millar et al., 2001) 3 RRP3/DBP1, S. cerevisiaeChromozom 4, 1,6e-127 a
At3g23780 8.568 DNA polymerovaná RNA polymeráza, domnělá 0.42 0.253 0.92 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 DNA polymerovaná RNA polymeráza, Arabidopsis, kvasinky Chromozom 4, 1,8e-294 a
At3g23830 8.607 Gly bohatý protein vázající RNA 0.504 0.8331 ct 0,920 mt b (Vermel et al., 2002) 6 RNP-T, Arabidopsis NSR-1, S. cerevisiaeChromozom 1, 6,4e-18 a
At3g25430 9.22 Hypotetický protein 0.464 0.9284 0.982 AY062664 Poly (A) specifická ribonukleáza Chromozom 8, 3,2e-69 a
Další relevantní lokusy
At3g05780 1.714 Proteáza typu LON Ser mt 0,587 0.9110 Žádný mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,8e-228 a
At3g05790 1.720 Proteáza typu LON Ser ct 0,589 0.8992 ct 0,852 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,5e-265 a
At3g07200 2.291 Prsten Zn protein prstu, domnělý 0.84 0.87 0.98 1 Zinkový prst, 3HC4 Chromozom 1, 1,5e-14 a
At3g10010 3.111 DML2 Žádný Žádný Žádný 1 Homolog n -nukleázy Chromozom 1, 3,2 e-64 a
At3g10110 3.116 TIM22-3 - e 1 Mitochondriální import, translokátor vnitřní membrány Chromozom 3, 0,002 a
At3g10810 3.38 Prsten Zn prst, domnělý 0.819 0.935 0.790 2 Zinkový prst, typ C3HC4 Chromozom 1, 1,1e-31 a
Za 3 g 15 000 5.050 Vyjádřený protein ct 0,914 0.990 mt 0,989 mt b (Kruft et al., 2001) AF428427 Podobně jako protein DAG, AntirrhinumChromozom 9/6, 3e-21 a
Za 3 g 20 000 6..967 TOM40 mt b (Kruft et al., 2001) 11 Protein importující membránu Chromozom 3/1, 3,8e-49 a
At3g23990 8.668 Hsp60 mt 0,843 0.9897 0.999 mt b (Kruft et al., 2001) 9 Ovlivňuje stabilitu mitochondriální DNA v kvasinkách Chromozom 10, 4,5e-150 a
At3g25100 9.144 Cdc45-like 0.087 0.131 0.998 0 Minichromozom CDC45, replikace DNA Chromozom 11, 1,7 e-199 a
At3g26480 9.687 WD-opakující se protein mt 0,457 0.736 0.805 2 DIP2, CRN1, meióza Chromozom 12, 7,4e-58 a
At3g27070 9.982 TOM-20-1 mt b (Werhahn et al., 2001) 2 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 4,6e-10 a
At3g27080 9.984 TOM-20-3 mt b (Werhahn et al., 2001) 8 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 7,5 e-22 a
At3g27360 10.129 Histon H3 ct 0,765 0.992 mt 0,995 mt b (Vermel et al., 2002) AY077654 Váže jednovláknovou mitochondriální DNA Chromozom 1/4/5/6/11, 1,8e-55 a
At3g58610 21.98 Ketol -reduktoizomeráza ct 0,980 0.963 mt 0,995 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 71 ILV5, kvasinky Chromozom 1, 2,5e-209 a
Locus. Umístění (Mbp). Anotace. TargetP. MitoProt. Predotar. Potvrzená lokalizace. EST nebo cDNA. Homologie a zachované funkce. Rýžová homologie a hodnota P.
Místa metabolismu DNA
At3g10140 3.134 Domnělý RecA 0.861 0.9384 0.998 AY072877 DMC1, Saccharomyces cerevisiaeChromozom 1, 7,7e-55 a
At3g10270 3.17 Předpokládaná podjednotka DNA gyrázy B 0.801 0.9997 0.997 1 GyrB, Nostoc punctiformeChromozom 1, 2,5e-133 a
At3g10690 3.34 Domnělá podjednotka DNA gyrázy A ct 0,975/mt 0,879 0.99 p 0,998/mt 0,967 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 3 GyrA, Nostoc punctiformeChromozom 3, 2,6e-150 a
At3g18580 6.397 Hypotetický protein 0.717 0.9948 0.544 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 Jednovláknový protein vázající DNA, Escherichia coliChromozom 1, 5e-38 a
At3g20390 7.11 Translační inhibitor, domnělý p 0,497 0.795 mt 0,617 mt c (Oxelmark et al., 2000) AY066547 Údržba mitochondriální DNA MMF1p Chromozom 7, 6,2 e-26 a
At3g20540 7.168 DNA polymeráza, domnělá 0.741 0.8028 0.776 mt/ct d (tato zpráva) AY195962 γ-podobná DNA polymeráza, podobná Pol1 Chromozom 8/4, 5,6e-207 a /7,7e-178
At3g24340 8.831 Hypotetický protein 0.338 0.2168 0.77 1 Oprava a rekombinace DNA RAD26, helikáza Chromozom 3, 7,4e-135 a
Neshoda míst opravy
At3g14890 5.008 Předpokládaný snímač DNA nick ct 0,576/mt 0,269 0.8207 ct 0,922 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) AF453835 3 'DNA fosfatáza Chromozom 1, 6,2 e-60 a
At3g18630 6.413 Předpokládaná uracil-DNA glykosyláza ct 0,928 0.3255 mt 0,933 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 3 UNG1, člověk Chromozom 4, 2,1 e-70 a
At3g24320 8.823 Předpokládaný nesoulad bílkovin 0.857 0.961 0.943 mt d (Abdelnoor et al., 2003) AY191303 MSH1, kvasinky Chromozom 4, 1e-221 a
At3g26690 9.804 Protein podobný MutT 0.79 0.5745 0.151 3 bis (5'nukleosyl) tetraphosphatase Chromozom 4, 6,2 e-12 a
At3g46940 17.60 dUTP podobná pyrofosfatáze ct 0,305 Žádný ct 0,985 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DUT1, kvasnice, dUTPase Chromozom 3, 0,000025 a
At3g50880 19.22 Předpokládaná DNA 3-methyladenin glykosyláza ct 0,843 0.1253 Žádný mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 1 Kvasinkový mág, lidský MPG Chromozom 1, 1,1e-66 a
At3g51690 19.49 Homolog helikázy DNA PIF1 ct 0,253 0.017 ct 0,188 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 2 DNA helikáza PIF1, kvasinky Chromozom 10, 6,3 e-53
At3g51880 19.56 Protein podobný HMG2 mt 0,121 0.0851 ct 0,716 mt c (Kang a Hamasaki, 2002) 10 Kvasinky ABF2, lidská TFAM Chromozom 8, 0,00075 a
Místa metabolismu RNA
At3g01410 1.536 RNAza H 0.651 0.938 0.962 4 Chromozom 8, 2,6e-33 a
At3g09210 2.825 Neznámý protein 0.536 0.571 0.583 2 NusG, transkripční anti-terminace Chromozom 3, 7,3e-45 a
At3g18090 6.195 DNA polymerovaná RNA polymeráza II Žádný Žádný Žádný mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 RNA polymeráza II zaměřená na DNA, druhý největší řetězec Chromozom 4, 3,3e-312 a
At3g22310 7.887 Předpokládaná RNA helikáza 0.771 0.9552 0.982 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 7 DEAD-box rodinné helikázy Chromozom 4, 2,5e-116 a
At3g22330 7.892 Předpokládaná RNA helikáza 0.635 0.9406 0.943 mt b (Millar et al., 2001) 3 RRP3/DBP1, S. cerevisiaeChromozom 4, 1,6e-127 a
At3g23780 8.568 DNA polymerovaná RNA polymeráza, domnělá 0.42 0.253 0.92 mt b (L. McIntosh, nepublikovaná data) 2 DNA polymerovaná RNA polymeráza, Arabidopsis, kvasinky Chromozom 4, 1,8e-294 a
At3g23830 8.607 Gly bohatý protein vázající RNA 0.504 0.8331 ct 0,920 mt b (Vermel et al., 2002) 6 RNP-T, Arabidopsis NSR-1, S. cerevisiaeChromozom 1, 6,4e-18 a
At3g25430 9.22 Hypotetický protein 0.464 0.9284 0.982 AY062664 Poly (A) specifická ribonukleáza Chromozom 8, 3,2e-69 a
Další relevantní lokusy
At3g05780 1.714 Proteáza typu LON Ser mt 0,587 0.9110 Žádný mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,8e-228 a
At3g05790 1.720 Proteáza typu LON Ser ct 0,589 0.8992 ct 0,852 0 Mitochondriální vazebná afinita k DNA v kvasinkách Chromozom 7, 2,5e-265 a
At3g07200 2.291 Prsten Zn protein prstu, domnělý 0.84 0.87 0.98 1 Zinkový prst, 3HC4 Chromozom 1, 1,5e-14 a
At3g10010 3.111 DML2 Žádný Žádný Žádný 1 Homolog n -nukleázy Chromozom 1, 3,2 e-64 a
At3g10110 3.116 TIM22-3 - e 1 Mitochondriální import, translokátor vnitřní membrány Chromozom 3, 0,002 a
At3g10810 3.38 Prsten Zn prst, domnělý 0.819 0.935 0.790 2 Zinkový prst, typ C3HC4 Chromozom 1, 1,1e-31 a
Za 3 g 15 000 5.050 Vyjádřený protein ct 0,914 0.990 mt 0,989 mt b (Kruft et al., 2001) AF428427 Podobně jako protein DAG, AntirrhinumChromozom 9/6, 3e-21 a
Za 3 g 20 000 6..967 TOM40 mt b (Kruft et al., 2001) 11 Protein importující membránu Chromozom 3/1, 3,8e-49 a
At3g23990 8.668 Hsp60 mt 0,843 0.9897 0.999 mt b (Kruft et al., 2001) 9 Ovlivňuje stabilitu mitochondriální DNA v kvasinkách Chromozom 10, 4,5e-150 a
At3g25100 9.144 Cdc45-like 0.087 0.131 0.998 0 Minichromozom CDC45, replikace DNA Chromozom 11, 1,7 e-199 a
At3g26480 9.687 WD-opakující se protein mt 0,457 0.736 0.805 2 DIP2, CRN1, meióza Chromozom 12, 7,4e-58 a
At3g27070 9.982 TOM-20-1 mt b (Werhahn et al., 2001) 2 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 4,6e-10 a
At3g27080 9.984 TOM-20-3 mt b (Werhahn et al., 2001) 8 Mitochondriální importní receptor Chromozom 1, 7,5 e-22 a
At3g27360 10.129 Histon H3 ct 0,765 0.992 mt 0,995 mt b (Vermel et al., 2002) AY077654 Váže jednovláknovou mitochondriální DNA Chromozom 1/4/5/6/11, 1,8e-55 a
At3g58610 21.98 Ketol -reduktoizomeráza ct 0,980 0.963 mt 0,995 mt b (J.L. Heazlewood, A. Gout, J.M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data) 71 ILV5, kvasinky Chromozom 1, 2,5e-209 a

Lokalizace potvrzena proteomickými daty.

U jiných druhů je homologní protein mitochondriální.

Lokalizace potvrzena experimentálními daty.

Tento protein nemá cílový peptid.

ct, chloroplast mt, mitochondrie Žádné, žádná významná cílová hodnota p, plast.

Kromě toho byla přítomna řada genů, které kódují mitochondriálně cílené proteiny dosud neznámé funkce (data nejsou uvedena). Konzervativně jsme identifikovali více než 50 genů v intervalu 6 Mbp, anotovaných i anotovaných pro funkci, které podle všeho kódují proteiny s mitochondriální zaměřovací schopností. Tento odhad nezahrnuje> gt100 geny, u nichž se předpokládá, že kódují plastidové proteiny ve stejném intervalu, a několik, které se zdají být rickettsiálního původu podle homologie, ale bez jasných anotovaných rysů cílení (data nejsou uvedena). Spojení několika genů z tohoto intervalu s udržováním organelární DNA a RNA naznačuje, že alespoň některé z genů, které postrádají funkční anotaci, se také mohou účastnit souvisejících funkcí nebo jejich regulace.

Rovněž jsme zkoumali genom Arabidopsis pro rostlinné ekvivalenty proteinů zapojených do funkcí udržování eukaryotické mitochondriální DNA na základě publikovaných sekvencí v kvasinkách a lidech (Kang a Hamasaki, databáze MITOP 2002 na adrese http://mips.gsf.de/services/genomes ). Téměř všechny rostlinné ekvivalenty pro opravu mitochondriální DNA jsou necharakterizované. Několik identifikovaných kandidátů bylo umístěno na chromozomu III (tabulka 1). Úplný seznam domnělých homologů Arabidopsis lze nalézt v doplňkových datech online (http://psiweb.unl.edu/mackenzie/table1.html).

Interval chromozomu III, který zahrnuje identifikované mitochondriální geny, lze odhadnout až na 26 Mbp, i když hustota mitochondriálního genu se zdá být největší v intervalu 6,5 až 9,7 Mbp, přičemž druhý menší klastr má 17,0 až 22,0 Mbp na mapě chromozomu III. Další statisticky významný shluk byl nalezen na chromozomu V. Abychom zjistili, zda zjevné shlukování příbuzných organelárních genů v Arabidopsis bylo konzervativní tendencí ve vyšších rostlinách, zkoumali jsme genomické umístění homologních sekvencí v rýži. Ačkoli v některých případech nebylo možné identifikovat odpovídající genový kandidát z aktuálně dostupných anotovaných sekvencí rýže, překvapivě velká část identifikovaných homologních genů byla v rýži lokalizována buď na chromozomu I (37%) nebo chromozomu IV (23%) genomu (tabulka 1). Tento výsledek naznačuje, že v genomu rýže existuje vazba genů pro mitochondriální metabolismus DNA a RNA.

Organizace Rickettsia-homologních genů pro metabolismus DNA v genomu Arabidopsis

Protože Rickettsia americana bylo předpokládáno, že představuje jednoho z nejbližších žijících příbuzných současných mitochondrií (Andersson et al., 1998), zkoumali jsme genom Rickettsia pro geny zapojené do funkcí udržování DNA a metabolismu RNA. Ze 43 identifikovaných genů bylo v genomu Arabidopsis identifikováno 25 (58%) homologních sekvencí, jak je uvedeno v doplňkových datech online (http://psiweb.unl.edu/mackenzie/table2a.html a http: //psiweb.unl .edu/mackenzie/table2b.html). Z genů v Arabidopsis, u nichž se předpokládalo, že jsou analogické lokusům metabolismu DNA Rickettsia, bylo 14 (56%) lokalizováno na chromozomu III a všechny kromě 3 kódovaly proteiny cílené na organely. U těch homologů Rickettsia umístěných jinde v genomu bylo předpovězeno, že sedm (64%) bude kódovat proteiny s nejednoznačnými hodnotami diskriminace cílení na organelu. Je pozoruhodné, že ze všech lokusů homologních v Rickettsii, u nichž se předpokládá, že budou kódovat proteiny cílené na organely, se zdálo, že polovina je duální cílení nebo cílení plastidů (viz doplňkové údaje online). Tato pozorování společně naznačují intimní koevoluci funkcí udržování mitochondriální a plastidové DNA během evoluce vyšších rostlin a nápadný trend směrem ke shlukování organelárních složek udržujících DNA.

Byli jsme překvapeni, když jsme zjistili, že relativně velká část Rickettsia-homologních lokusů (19%) kódovala proteiny s nejednoznačnými nebo nezjištěnými pre-sekvencemi cílení na organelu. Zdálo se, že některé z těchto genů kódují proteiny, které fungují v jádře, ale jiné mohou představovat organelární proteiny cílené odlišným mechanismem nebo geny chybně označené pro počáteční místo translace.

Lokality organelárního metabolismu DNA a RNA se zdají být seskupeny ve dvou genomových intervalech u Arabidopsis

Permutační test pro konsolidaci organelárních genů pro udržování DNA a RNA byl zkonstruován porovnáním pozorovaného shlukování se vzorem distribuce, který by se očekával v důsledku náhodného přeskupení a duplikace organelárních genů Arabidopsis. Celkem 791 genů, u nichž se předpokládalo, že cílí na mitochondrie, bylo identifikováno pomocí programu Predotar k průzkumu databáze genomu Arabidopsis (http://www.inra.fr/Internet/Produits/Predotar/Arabidopsis_mit.html). V tomto seznamu byly geny klasifikovány podle toho, zda měly nebo neměly domnělou funkci udržování DNA. Bylo také určeno umístění chromozomu každého genu. Z lokusů chromozomu III (tabulka 1) byly zahrnuty pouze ty, které se podílejí na metabolismu DNA a RNA. Kromě 23 lokusů chromozomu III uvedených v tabulce 1, 3

Důkaz o cílení proteinů na prequence výměn u Arabidopsis

Locus. Předpokládaná funkce bílkovin (předpokládaná lokalizace). Předběžná homologie s. Předpokládaná funkce bílkovin. Předpokládaná lokalizace. Potvrzená lokalizace. Presequence Alignment (identické/kladné [%]).
At3g20540 DNA polymeráza (mt) At1g50840 DNA polymeráza ct ct a (tato zpráva) 61/64
At3g14530 GGPS3 ct ct b (Okada a kol., 2000) 34/52
At3g32040 GGPS, předpokládaný ct 37/59
At2g47270 Neznámý protein ct 30/53
At3g18420 Neznámý protein ct 36/53
At3g22310 RNA helikáza (mt) At3g22330 RNA helikáza mt mt b (Millar et al., 2001) 66/83
At3g22300 40S ribozomální protein S10 mt mt a (Wischmann a Schuster, 1995) 51/68
At3g27620 Alternativní oxidáza 1c mt mt a (Saisho et al., 1997) 50/66
At1g60950 Prekurzor ferredoxinu mt ct b (Peltier et al., 2000) 45/64
At1g10960 Prekurzor ferredoxinu ct ct b (Peltier et al., 2000)
At5g38430 Rubisco malá podjednotka 1b ct ct b (Peltier et al., 2000)
At3g23830 Protein vázající RNA (mt) At4g13850 AtGRP2-like mt mt b (Kruft et al., 2001) 72/81
At5g47320 40S ribozomální protein S19 mt mt a (Sanchez et al., 1996) 66/72
At5g49210 Neznámý protein mt 58/67
At5g61030 RNA vázající mt J. L. Heazlewood, A. Dna, J. M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data b 36/53
At5g66660 Podobně jako 14a ct 35/48
Locus. Předpokládaná funkce bílkovin (předpokládaná lokalizace). Předběžná homologie s. Předpokládaná funkce bílkovin. Předpokládaná lokalizace. Potvrzená lokalizace. Presequence Alignment (identické/kladné [%]).
At3g20540 DNA polymeráza (mt) At1g50840 DNA polymeráza ct ct a (tato zpráva) 61/64
At3g14530 GGPS3 ct ct b (Okada a kol., 2000) 34/52
At3g32040 GGPS, předpokládaný ct 37/59
At2g47270 Neznámý protein ct 30/53
At3g18420 Neznámý protein ct 36/53
At3g22310 RNA helikáza (mt) At3g22330 RNA helikáza mt mt b (Millar et al., 2001) 66/83
At3g22300 40S ribozomální protein S10 mt mt a (Wischmann a Schuster, 1995) 51/68
At3g27620 Alternativní oxidáza 1c mt mt a (Saisho et al., 1997) 50/66
At1g60950 Prekurzor ferredoxinu mt ct b (Peltier et al., 2000) 45/64
At1g10960 Prekurzor ferredoxinu ct ct b (Peltier et al., 2000)
At5g38430 Rubisco malá podjednotka 1b ct ct b (Peltier et al., 2000)
At3g23830 Protein vázající RNA (mt) At4g13850 AtGRP2-like mt mt b (Kruft et al., 2001) 72/81
At5g47320 40S ribozomální protein S19 mt mt a (Sanchez et al., 1996) 66/72
At5g49210 Neznámý protein mt 58/67
At5g61030 RNA vázající mt J. L. Heazlewood, A. Dna, J. M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data b 36/53
At5g66660 Podobně jako 14a ct 35/48

Lokalizace potvrzena experimentálními daty.

Lokalizace potvrzena proteomickými daty.

ct, chloroplast mt, mitochondrie Rubisco, ribulosa-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza.

Důkaz o cílení proteinů na prequence výměn u Arabidopsis

Locus. Předpokládaná funkce bílkovin (předpokládaná lokalizace). Předběžná homologie s. Předpokládaná funkce bílkovin. Předpokládaná lokalizace. Potvrzená lokalizace. Presequence Alignment (identické/kladné [%]).
At3g20540 DNA polymeráza (mt) At1g50840 DNA polymeráza ct ct a (tato zpráva) 61/64
At3g14530 GGPS3 ct ct b (Okada a kol., 2000) 34/52
At3g32040 GGPS, předpokládaný ct 37/59
At2g47270 Neznámý protein ct 30/53
At3g18420 Neznámý protein ct 36/53
At3g22310 RNA helikáza (mt) At3g22330 RNA helikáza mt mt b (Millar et al., 2001) 66/83
At3g22300 40S ribozomální protein S10 mt mt a (Wischmann a Schuster, 1995) 51/68
At3g27620 Alternativní oxidáza 1c mt mt a (Saisho et al., 1997) 50/66
At1g60950 Prekurzor ferredoxinu mt ct b (Peltier et al., 2000) 45/64
At1g10960 Prekurzor ferredoxinu ct ct b (Peltier et al., 2000)
At5g38430 Rubisco malá podjednotka 1b ct ct b (Peltier et al., 2000)
At3g23830 Protein vázající RNA (mt) At4g13850 AtGRP2-like mt mt b (Kruft et al., 2001) 72/81
At5g47320 40S ribozomální protein S19 mt mt a (Sanchez et al., 1996) 66/72
At5g49210 Neznámý protein mt 58/67
At5g61030 RNA vázající mt J. L. Heazlewood, A. Dna, J. M. Whelan, D.A. Day a A. H. Millar, nepublikovaná data b 36/53
At5g66660 Podobně jako 14a ct 35/48
Locus. Předpokládaná funkce bílkovin (předpokládaná lokalizace). Předběžná homologie s. Předpokládaná funkce bílkovin. Předpokládaná lokalizace. Potvrzená lokalizace. Presequence Alignment (identické/kladné [%]).
At3g20540 DNA polymeráza (mt) At1g50840 DNA polymeráza ct ct a (tato zpráva) 61/64
At3g14530 GGPS3 ct ct b (Okada a kol., 2000) 34/52
At3g32040 GGPS, předpokládaný ct 37/59
At2g47270 Neznámý protein ct 30/53
At3g18420 Neznámý protein ct 36/53
At3g22310 RNA helikáza (mt) At3g22330 RNA helikáza mt mt b (Millar et al., 2001) 66/83
At3g22300 40S ribozomální protein S10 mt mt a (Wischmann a Schuster, 1995) 51/68
At3g27620 Alternativní oxidáza 1c mt mt a (Saisho et al., 1997) 50/66
At1g60950 Prekurzor ferredoxinu mt ct b (Peltier et al., 2000) 45/64
At1g10960 Prekurzor ferredoxinu ct ct b (Peltier et al., 2000)
At5g38430 Rubisco malá podjednotka 1b ct ct b (Peltier et al., 2000)
At3g23830 Protein vázající RNA (mt) At4g13850 AtGRP2-like mt mt b (Kruft et al., 2001) 72/81
At5g47320 40S ribozomální protein S19 mt mt a (Sanchez et al., 1996) 66/72
At5g49210 Neznámý protein mt 58/67
At5g61030 RNA vázající mt J. L. Heazlewood, A. Dna, J. M. Whelan, D.A. Day a A.H. Millar, nepublikovaná data b 36/53
At5g66660 Podobně jako 14a ct 35/48

Lokalizace potvrzena experimentálními daty.

Lokalizace potvrzena proteomickými daty.

ct, chloroplast mt, mitochondrie Rubisco, ribulosa-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza.

Pro každý chromozom bylo získáno standardizované skóre konsolidace genu spolu s maximálním skóre konsolidace. Konsolidační skóre, Z C, pro chromozom C byl definován jako Z C = |n Cn C|/s C, kde n C je počet unikátních genů pro udržování organelárního genomu přítomných na chromozomu C, n C je průměrný počet unikátních genů pro udržování organelárního genomu přítomných na chromozomu C napříč 10 000 vzorky permutace a s C je standardní odchylka počtu unikátních genů pro udržování organelárního genomu přítomných na chromozomu C napříč 10 000 vzorky permutace. Maximální konsolidační skóre, Z max, napříč pěti chromozomy byl definován jako Z max = max C|Z C|. Hodnoty P pak byly odhadnuty jako podíl časů, kdy byly konsolidační skóre permutačního vzorku větší nebo rovna pozorovanému konsolidačnímu skóre. Celkový test konsolidace genů i test konsolidace specifický pro chromozom III podpořily hypotézu shlukování genů (P <0,0001). Tyto údaje jsou uvedeny v tabulce 2

Statistický test genového shlukování genů zapojených do funkcí udržování organelární DNA a RNA

. . Jedinečné udržovací geny DNA a RNA. . . . .
Chromozom. Celkový počet genů. Pozorované číslo (n C) . Průměrné číslo (n C) . Standardní odchylka (s C) . Konsolidační skóre (Z C) . Odhadovaná hodnota P.
219 13 17.5 2.9 −1.6 0.0862
II 180 9 14.9 2.8 −2.1 0.0364
III 148 26 12.9 2.7 4.9 0.0000
IV 173 7 14.5 2.8 −2.7 0.0093
PROTI 71 13 6.6 2.2 2.9 0.0000
Maximální skóre konsolidace (Z max) 4.9 0.0000
. . Jedinečné udržovací geny DNA a RNA. . . . .
Chromozom. Celkový počet genů. Pozorované číslo (n C) . Průměrné číslo (n C) . Standardní odchylka (s C) . Konsolidační skóre (Z C) . Odhadovaná hodnota P.
219 13 17.5 2.9 −1.6 0.0862
II 180 9 14.9 2.8 −2.1 0.0364
III 148 26 12.9 2.7 4.9 0.0000
IV 173 7 14.5 2.8 −2.7 0.0093
PROTI 71 13 6.6 2.2 2.9 0.0000
Maximální skóre konsolidace (Z max) 4.9 0.0000

Statistický test genového shlukování genů zapojených do funkcí udržování organelární DNA a RNA

. . Jedinečné udržovací geny DNA a RNA. . . . .
Chromozom. Celkový počet genů. Pozorované číslo (n C) . Průměrné číslo (n C) . Standardní odchylka (s C) . Konsolidační skóre (Z C) . Odhadovaná hodnota P.
219 13 17.5 2.9 −1.6 0.0862
II 180 9 14.9 2.8 −2.1 0.0364
III 148 26 12.9 2.7 4.9 0.0000
IV 173 7 14.5 2.8 −2.7 0.0093
PROTI 71 13 6.6 2.2 2.9 0.0000
Maximální skóre konsolidace (Z max) 4.9 0.0000
. . Jedinečné udržovací geny DNA a RNA. . . . .
Chromozom. Celkový počet genů. Pozorované číslo (n C) . Průměrné číslo (n C) . Standardní odchylka (s C) . Konsolidační skóre (Z C) . Odhadovaná hodnota P.
219 13 17.5 2.9 −1.6 0.0862
II 180 9 14.9 2.8 −2.1 0.0364
III 148 26 12.9 2.7 4.9 0.0000
IV 173 7 14.5 2.8 −2.7 0.0093
PROTI 71 13 6.6 2.2 2.9 0.0000
Maximální skóre konsolidace (Z max) 4.9 0.0000

Vzory genomické duplikace navrhují výběr pro současné uspořádání a interorganelární substituce

Duplikace genů Arabidopsis zahrnující organelský genově bohatý interval chromozomu III.

(A) Rozsáhlé interchromozomální a intrachromozomální duplikace zahrnující geny na chromozomu III. Členové větších genových rodin byli z obrázku vyloučeni. Jsou označeny geny zapojené do metabolismu DNA (červený), metabolismu RNA (modrý) a opravy nesouladu (zelený). Predikované cílení je indikováno m (mitochondriální) nebo cp (chloroplast) a hvězdičky označují nejednoznačné predikce cílů. Duplikované genomové oblasti, jak je popsáno v Blanc et al. (2000), jsou označeny stejně barevnými pruhy.

(B) Zarovnání homologního genu rýžového chromozomu I s chromozomem Arabidopsis III. Organelární geny se sekvenční homologií byly identifikovány a porovnány na chromozomu rýže I a chromozomu III Arabidopsis, aby se vyhodnotila zachování genového řádu. cM, centimorgan.

Duplikace genů Arabidopsis zahrnující organelský genově bohatý interval chromozomu III.

(A) Rozsáhlé interchromozomální a intrachromozomální duplikace zahrnující geny na chromozomu III. Členové větších genových rodin byli z obrázku vyloučeni. Jsou označeny geny zapojené do metabolismu DNA (červený), metabolismu RNA (modrý) a opravy nesouladu (zelený). Predikované cílení je indikováno m (mitochondriální) nebo cp (chloroplast) a hvězdičky označují nejednoznačné predikce cílů. Duplikované genomové oblasti, jak je popsáno v Blanc et al. (2000), jsou označeny stejně barevnými pruhy.

(B) Zarovnání homologního genu rýžového chromozomu I s chromozomem Arabidopsis III. Organelární geny se sekvenční homologií byly identifikovány a zarovnány na chromozomu rýže I a chromozomu III Arabidopsis za účelem posouzení zachování genového řádu. cM, centimorgan.

Porovnání sekvencí dvou genů Arabidopsis, u nichž se předpokládá kódování proteinů podobných SSB.

(A) Zarovnání sekvencí podobných SSB. N-koncové části sekvencí, které kódují pre-sekvenci zaměřenou na mitochondrie, byly zkráceny před zarovnáním pomocí CLUSTAL X. Identické zbytky jsou znázorněny reverzním kontrastem a podobnými zbytky se stínováním, přičemž tmavě šedá indikuje blok podobných a světle šedých slabě podobné zbytky aminokyselin. V zájmu vesmíru je ukázána pouze část identifikovaných genů.

(B) Fylogenetický strom vyvinutý ze sekvencí podobných SSB odhaluje dvě rostlinné formy genu. Fylogenetický strom byl zkonstruován pomocí metody NJ (Saitou a Nei, 1987) na základě matice vzdálenosti vypočítané pomocí programu PROTDIST v softwarovém balíčku PHYLIP verze 3.6 (α3) (Felsenstein, 2002). Odhadovaná statistická spolehlivost byla generována ze 100 bootstrapovaných datových sad pomocí programu SEQBOOT a konsensuální strom byl generován pomocí programu CONSENSE v balíčku PHYLIP (Felsenstein, 2002). Sekvence EST byly odvozeny z BLAST vyhledávání. Téměř pro všechny zkoumané druhy rostlin byly identifikovány dva odlišné EST, což poskytuje důkaz SSB duplikace genů.

Porovnání sekvencí dvou genů Arabidopsis, u nichž se předpokládá kódování proteinů podobných SSB.

(A) Zarovnání sekvencí podobných SSB. N-koncové části sekvencí, které kódují pre-sekvenci zaměřenou na mitochondrie, byly zkráceny před zarovnáním pomocí CLUSTAL X. Identické zbytky jsou znázorněny pomocí reverzního kontrastu a podobných zbytků se stínováním, přičemž tmavě šedá indikuje blok podobných a světle šedých slabě podobné zbytky aminokyselin. V zájmu vesmíru je ukázána pouze část identifikovaných genů.

(B) Fylogenetický strom vyvinutý ze sekvencí podobných SSB odhaluje dvě rostlinné formy genu. Fylogenetický strom byl zkonstruován pomocí metody NJ (Saitou a Nei, 1987) na základě matice vzdálenosti vypočítané pomocí programu PROTDIST v softwarovém balíčku PHYLIP verze 3.6 (α3) (Felsenstein, 2002). Odhadovaná statistická spolehlivost byla generována ze 100 bootstrapovaných datových sad pomocí programu SEQBOOT a konsensuální strom byl generován pomocí programu CONSENSE v balíčku PHYLIP (Felsenstein, 2002). Sekvence EST byly odvozeny z BLAST vyhledávání. Téměř pro všechny zkoumané druhy rostlin byly identifikovány dva odlišné EST, což poskytuje důkaz SSB duplikace genů.

Zdá se, že druhý osud duplikace zahrnuje rozšířenou kapacitu cílení proteinů. V několika případech genové duplikace vedou k tomu, že se proteiny předpovídají duálním zaměřením mitochondrií, plastidů nebo obou organel (obrázek 1). Tyto údaje v kombinaci s pozorovanými rysy cílení identifikovaných homologů Rickettsia (viz doplňkové údaje online [http://psiweb.unl.edu/mackenzie/table2a.html a http://psiweb.unl.edu/mackenzie/table2b. html]), naznačují, že výměna mitochondriálních a plastidových složek za účelem udržování DNA byla rozsáhlá. Obecně jsme použili tři počítačové programy určené k predikci cílení proteinů v rostlinné buňce (viz metody). Programy počítačové predikce nelze definitivně uzavřít schopnost cílení proteinu. Dobrá korespondence se však obecně nachází mezi počítačem podporovanými predikcemi a pozorováním in vivo pro ty proteiny, u nichž je shoda patrná mezi predikčními programy (I.Malý, osobní komunikace A. Lyznik, A. Elo a S. Mackenzie, nepublikovaná data) .

Důkaz mitochondriální a plastidové koevoluce pro funkce metabolismu DNA

Naše pozorování naznačují, že duplikace genů zapojených do udržování organelární DNA a RNA může usnadnit funkční specializaci a organelární koevoluci. Vzhledem k predikci jak mitochondriálního, tak plastidového cílení genových produktů v intervalu chromozomu III jsme zkoumali osud cílení informací o presekvenci ve vývoji genů, které se podílejí na mitochondriálním metabolismu DNA a RNA. Jiné skupiny ukázaly, že přenos organelárních genů do jádra musí být doprovázen získáním informací o cílení mitochondriálních nebo plastidových proteinů, aby byl gen funkční (přehled Martin a Herrmann, 1998). Tyto informace o cílení lze zjevně získat pomocí intergenové rekombinace jader.

Prohledávání homologie sekvence aminokyselin odhalilo, že v několika případech některé geny v intervalu chromozomu III sdílejí identitu preekvence proteinu s funkčně nesouvisejícími proteiny cílícími na organely, jak ukazuje tabulka 3. Předpokládané předsekvence byly prohledávány pomocí nástroje BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) proti databázi Arabidopsis. Krátké aminokyselinové sekvence použité v těchto vyhledáváních vedly k relativně vysokým hodnotám e. K identifikaci homologních předsekvencí byla použita následující kritéria. Důkaz výměny preekvencí zahrnoval e-hodnoty <1,0 pro dvě sekvence umístěné na bezprostředním N konci proteinů, což ukazuje schopnost cílení na organelu. Několik homologních sekvencí s významnou podobností a nízkými hodnotami e bylo vyloučeno jejich lokalizací jinou než na N konci. Z tohoto důvodu je možné, že jsme vynechali ty příklady výměny předsekvencí, které zahrnují míchání exonů.

Důkazy o cílení výměny presekvence během evoluce mitochondriálních genů v organelárním genu bohatém intervalu chromozomu III u Arabidopsis.

(A) Zarovnání aminokyselinové sekvence proteinů Arabidopsis sdílejících společnou N-koncovou aminokyselinovou sekvenci s proteinem podobným DNA polymeráze (At3g20540), proteinem podobným RNA helikáze (At3g22310) nebo proteinem vázajícím RNA (At3g28830). Identické zbytky jsou znázorněny reverzním kontrastem a podobné zbytky se stínováním, přičemž tmavě šedá označuje blok podobných a světle šedých slabě podobných aminokyselinových zbytků.

(B) Predikovaná mitochondriální prequence z RNA helikázy (podtrženo At3g22310) byla použita ve vyhledávání BLAST k identifikaci homologních sekvencí v databázi. Tři nejvýznamnější zásahy byly získány pro mitochondriální presequence tří sousedních lokusů ve stejném chromozomálním intervalu, s identitami aminokyselin v rozmezí 50 až 66%.

Důkazy o cílení výměny presekvence během evoluce mitochondriálních genů v organelárním genu bohatém intervalu chromozomu III u Arabidopsis.

(A) Zarovnání aminokyselinové sekvence proteinů Arabidopsis sdílejících společnou N-koncovou aminokyselinovou sekvenci s proteinem podobným DNA polymeráze (At3g20540), proteinem podobným RNA helikáze (At3g22310) nebo proteinem vázajícím RNA (At3g28830). Identické zbytky jsou znázorněny reverzním kontrastem a podobné zbytky se stínováním, přičemž tmavě šedá označuje blok podobných a světle šedých slabě podobných aminokyselinových zbytků.

(B) Predikovaná mitochondriální prequence z RNA helikázy (podtrženo At3g22310) byla použita ve vyhledávání BLAST k identifikaci homologních sekvencí v databázi. Tři nejvýznamnější zásahy byly získány pro mitochondriální presequence tří sousedních lokusů ve stejném chromozomálním intervalu, s identitami aminokyselin v rozmezí 50 až 66%.

Organelární cílení domnělé DNA polymerázy podobné y.

(A) Zarovnání sekvence aminokyselin odhaluje konzervované motivy v doménách exonukleázy a polymerázy DNA polymerázy podobné Pol1 v obou verzích genů Arabidopsis v chromozomu I a III. Zde uvedené uspořádání zahrnuje data převzatá přímo od Lewis et al. (1996) pro srovnání.

(B) Bombardování listových buněk Arabidopsis bylo použito k testování organelárního cílení domnělých genových produktů podobných DNA polymeráze I kódovaných na chromozomu III (AtPolγ1 At3g20540) a chromozom I (AtPolγ2 At1g50840). Plastidy jsou zobrazeny červeně v důsledku autofluorescence. Vylepšeno GFP byl použit jako reportérový gen. Ačkoli výrobek od AtPolγ2 Zdálo se, že míří na plastidy, produkt z AtPolγ1 zaměřeno na plastidy i mitochondrie (bílá šipka označuje mitochondrie a zelené šipky označují plastidy).

Organelární cílení domnělé DNA polymerázy podobné y.

(A) Zarovnání sekvence aminokyselin odhaluje konzervované motivy v doménách exonukleázy a polymerázy DNA polymerázy podobné Pol1 v obou verzích genů Arabidopsis v chromozomu I a III. Zde uvedené uspořádání zahrnuje data převzatá přímo od Lewis et al. (1996) pro srovnání.

(B) Bombardování listových buněk Arabidopsis bylo použito k testování organelárního cílení domnělých genových produktů podobných DNA polymeráze I kódovaných na chromozomu III (AtPolγ1 At3g20540) a chromozom I (AtPolγ2 At1g50840). Plastidy jsou zobrazeny červeně v důsledku autofluorescence. Vylepšeno GFP byl použit jako reportérový gen. Ačkoli výrobek od AtPolγ2 Zdálo se, že míří na plastidy, produkt z AtPolγ1 zaměřeno na plastidy i mitochondrie (bílá šipka označuje mitochondrie a zelené šipky označují plastidy).

Tyto dva lokusy sdílejí 80% identitu sekvence DNA a 66% identitu aminokyselin, přičemž se nejvíce rozcházejí v 5 'oblasti genů (data nejsou uvedena). Předpovídalo se, že protein kódovaný chromozomem III bude cílen na mitochondrie (hodnota MitoProt 0,80) nebo dvojí cílení (hodnoty Predotar mt [mitochondria] 0,78 a cp [chloroplast] 0,64 Hodnoty TargetP mt 0,74 a cp 0,59). Předpokládalo se, že verze chromozomu I bude cílit buď na mitochondrie (hodnota MitoProt 0,90), nebo na chloroplast (hodnota Predotar 0,96, hodnota TargetP 0,93). Zkoumali jsme vlastnosti cílení in vivo obou genů vývojem genových konstruktů, které fúzovaly informace o predikované sekvenci cílení z buď lokusu (763 bp pro chromozom III nebo 752 bp pro chromozom I) s vylepšeným ZELENÝ FLUORESCENTNÍ PROTEIN (GFP) reportérový gen. Genové konstrukty byly použity pro bombardování tkáněmi listů Arabidopsis částicemi.

Konfokální analýza naznačila, že produkt z chromozomu I AtPolγ2 (At1g50840) gen byl zaměřen na plastid, zatímco chromozom III AtPolγ1 Genový produkt (At3g20540) byl cílen duálně na mitochondrie a plastid (obrázek 4B). Duální cílení alespoň jednoho genového produktu by bylo v souladu s biochemickými daty pro podobné aktivity mitochondriální a plastidové DNA polymerázy, které uvádí Sakai (2001) a Kimura et al. (2002). Zjišťuje se, zda tyto dvě formy enzymů mohou recipročně kompenzovat funkci.


Reference

Gray, M. W., Burger, G. & amp Lang, B. F. Věda 283, 1476– 1481 (1999).

Berg, O. G. & amp Kurland, C. G. Mol. Biol. Evol. 17, 951–961 (2000).

Adams, K. L., Daley, D. O., Qiu, Y.-L, Whelan, J. & amp Palmer, J. D. Příroda 408, 354– 357 (2000).

Gray, M. W. Curr. Opin. Genet. Dev. 9, 678–687 (1999).

Schuster, W. & amp. Brennicke, A. Annu. Rev. Plant Physiol. Rostlina Mol. Biol. 45, 61–78 ( 1994).

Cho, Y., Qiu, Y.-L, Kuhlman, P. & amp Palmer, J. D. Proč. Natl Acad. Sci. USA 95, 14244–14249 (1998).

Qiu, Y.-L, Cho, Y., Cox, J. C. & amp Palmer, J. D. Příroda 394, 671–674 (1998).

Figuerosa, P., Gómez, I., Holuigue, L., Araya, A. & amp Jordana, X. Závod J. 18, 601–609 (1999).

Kubo, N., Harada, K., Hirai, A. & amp Kadowaki, K.-i Proč. Natl Acad. Sci. USA 96, 9207–9211 (1999).


Podívejte se na video: Jak přemýšlím při tvorbě svých byznys strategií a proč odkládám akademii (Listopad 2021).