DNA TY THỂ: ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG, DI TRUYỀN, BỆNH TẬT - SINH HỌC - 2025

Các DNA ti thể là một phân tử DNA vòng tròn nhỏ nằm bên trong các bào quan trong tế bào nhân chuẩn. Bộ gen nhỏ này mã hóa cho một số lượng rất hạn chế các protein và axit amin trong ti thể. Người ta thường tìm thấy cái tên "mitochondrial DNA" được viết tắt trong nhiều sách giáo khoa và bài báo khoa học là "mtDNA" hoặc trong tiếng Anh là "mtDNA".

Ti thể là bào quan cần thiết cho tế bào nhân thực, vì chúng có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ thức ăn được tiêu thụ ở dạng đường thành dạng năng lượng mà tế bào có thể sử dụng (ví dụ như ATP).

DNA ty thể (Nguồn? Viện nghiên cứu bộ gen người quốc gia, qua Wikimedia Commons)

Tất cả các tế bào ở sinh vật nhân thực đều có ít nhất một ti thể bên trong chúng. Tuy nhiên, có những tế bào như tế bào cơ tim và tế bào cơ xương có thể có hàng trăm ty thể bên trong chúng.

Ti thể có bộ máy tổng hợp protein độc lập với bộ máy tế bào, với ribosome, RNA vận chuyển, và aminoacyl RNA transferase-synthetase từ bên trong bào quan; mặc dù RNA của ribosome nhỏ hơn RNA của tế bào chứa chúng.

Một bộ máy như vậy cho thấy rất giống với bộ máy tổng hợp protein của vi khuẩn. Hơn nữa, giống như ở sinh vật nhân sơ, bộ máy này cực kỳ nhạy cảm với kháng sinh, nhưng rất khác với bộ máy tổng hợp protein ở tế bào nhân thực.

Thuật ngữ "ty thể" được Benda đưa ra vào cuối thế kỷ 12 và lý thuyết "nội sinh" được chấp nhận rộng rãi nhất về nguồn gốc của nó. Điều này đã được công bố vào năm 1967 bởi Lynn Margulis, trên Tạp chí Sinh học Lý thuyết.

Thuyết "nội sinh" đặt nguồn gốc của ti thể hàng triệu năm trước. Người ta đưa ra giả thuyết rằng tổ tiên tế bào của tế bào nhân chuẩn đã “nhấn chìm” và kết hợp một sinh vật giống vi khuẩn vào quá trình trao đổi chất của nó, sau này trở thành thứ mà ngày nay chúng ta gọi là ti thể.

nét đặc trưng

Ở động vật có vú, nói chung toàn bộ bộ gen bao gồm DNA ty thể được tổ chức trong một nhiễm sắc thể hình tròn có 15.000 đến 16.000 cặp nucleotide hoặc tương tự, có 15 đến 16 Kb (kilobases).

Bên trong hầu hết các ti thể, bạn có thể nhận được nhiều bản sao của nhiễm sắc thể ti thể. Trong tế bào xôma của người (tế bào phi giới tính), người ta thường tìm thấy ít nhất 100 bản sao nhiễm sắc thể của ti thể.

Ở thực vật bậc cao (thực vật hạt kín) DNA của ty thể thường lớn hơn nhiều, ví dụ, ở cây ngô, nhiễm sắc thể hình tròn của DNA ty thể có thể đo được tới 570 Kb.

ADN ti thể chiếm khoảng 1% tổng số ADN của tế bào xôma của hầu hết các loài động vật có xương sống. Đó là một DNA được bảo tồn cao trong giới động vật, trái ngược với những gì được quan sát thấy ở thực vật, nơi có sự đa dạng rộng rãi.

Ở một số tế bào nhân thực “khổng lồ” như noãn (tế bào sinh dục cái) của động vật có vú hoặc trong tế bào chứa nhiều ti thể, ADN ti thể có thể chiếm tới 1/3 tổng số ADN của tế bào.

DNA ti thể có một số đặc tính khác với DNA nhân: nó có mật độ và tỷ lệ khác nhau giữa các cặp base guanin-cytosine (GC) và adenine-thymine (AT).

Mật độ cặp bazơ GC trong ADN ti thể là 1,68 g / cm3 và hàm lượng là 21%; trong khi ở DNA nhân, mật độ này là 1,68 g / cm3 và hàm lượng khoảng 40%.

Đặc trưng

DNA ty thể sở hữu ít nhất 37 gen cần thiết cho chức năng bình thường của ty thể. Trong số 37, 13 có thông tin để sản xuất các enzym tham gia vào quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.

13 gen này mã hóa cho 13 thành phần polypeptide của phức hợp enzyme thuộc chuỗi vận chuyển điện tử và nằm ở màng trong của ti thể.

Mặc dù có 13 polypeptit mà DNA ti thể đóng góp vào chuỗi vận chuyển điện tử, nó được tạo thành từ hơn 100 polypeptit khác nhau. Tuy nhiên, 13 thành phần này rất cần thiết cho quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và chuỗi vận chuyển điện tử.

Sơ đồ DNA ty thể (Nguồn: Mikibc ~ commonswiki, qua Wikimedia Commons)

Trong số 13 polypeptit được tổng hợp từ DNA ty thể, nổi bật là tiểu đơn vị I, II và III của phức hợp cytochrome C oxidase và tiểu đơn vị VI của bơm ATPase được gắn trong màng trong của bào quan.

Thông tin cần thiết cho quá trình tổng hợp phần còn lại của các thành phần cấu tạo nên ti thể được mã hóa bởi các gen nhân. Chúng được tổng hợp trong tế bào chất giống như phần còn lại của các protein tế bào và sau đó được nhập vào ti thể nhờ các tín hiệu đặc hiệu.

Trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, oxy và các nguyên tử đường như glucose được sử dụng để tổng hợp hoặc hình thành adenosine triphosphate (ATP), đây là loại hóa chất được tất cả các tế bào sử dụng như một nguồn năng lượng.

Các gen còn lại của ty thể có hướng dẫn tổng hợp các RNA vận chuyển (tRNA), RNA của ribosome và enzyme aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA), cần thiết cho tổng hợp protein trong ty thể.

Gia tài

Cho đến tương đối gần đây, người ta vẫn cho rằng DNA ti thể được truyền độc quyền qua sự di truyền từ mẹ, tức là do dòng dõi trực tiếp từ mẹ.

Tuy nhiên, một bài báo được xuất bản bởi Shiyu Luo và các đồng nghiệp trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) vào tháng 1 năm 2019, cho thấy rằng trong một số trường hợp hiếm hoi, DNA ty thể có thể được thừa hưởng từ cả cha lẫn mẹ, cả hai của cha như của mẹ.

Trước khi bài báo này được công bố, các nhà khoa học có một sự thật là nhiễm sắc thể Y và ADN ty thể được di truyền nguyên vẹn từ bố và mẹ sang con cái.

Sự kế thừa "nguyên vẹn" của các gen thuộc nhiễm sắc thể Y của các gen trong ty thể ngụ ý rằng vật chất di truyền nói trên không trải qua những thay đổi do tái tổ hợp và qua nhiều năm, chỉ thay đổi do đột biến tự phát, vì vậy sự biến đổi là khá thấp. .

Do đó, hầu hết các nghiên cứu huy động quần thể đều được thực hiện trên cơ sở các gen này, ví dụ, các nhà di truyền học có thể dễ dàng xây dựng cây gia đình bằng cách sử dụng DNA ty thể.

Phần lớn lịch sử loài người đã được tái tạo thông qua lịch sử di truyền của DNA ty thể. Nhiều nhà kinh doanh thậm chí còn đề nghị làm rõ mối quan hệ gia đình của mỗi người sống với tổ tiên của họ thông qua các kỹ thuật nghiên cứu những đặc điểm này.

Nhân rộng

Mô hình tái bản DNA ty thể đầu tiên được đề xuất vào năm 1972 bởi Vinograd và các cộng sự và mô hình này vẫn còn giá trị, với một số thay đổi. Nói chung, mô hình dựa trên sự sao chép một chiều bắt đầu từ hai nguồn gốc khác nhau của sự nhân rộng.

Các nhà khoa học phân loại nhiễm sắc thể ty thể thành hai chuỗi khác nhau, chuỗi nặng, H hoặc OH, từ tiếng Anh là "heavy" và light chain, L, hoặc OL từ tiếng Anh "light". Chúng được xác định và nằm trong hai khung đọc mở không được chỉ định (URF) trên nhiễm sắc thể của ty thể.

Sự sao chép của bộ gen ti thể bắt đầu trong chuỗi nặng (OH) và tiếp tục theo một hướng cho đến khi tạo ra toàn bộ chiều dài của chuỗi nhẹ (OL). Sau đó, các protein được gọi là "protein liên kết DNA sợi đơn ty thể" được gắn vào để bảo vệ chuỗi có chức năng như "mẹ" hoặc "khuôn mẫu".

Các enzyme chịu trách nhiệm phân tách để sao chép xảy ra (replicacosome) sẽ truyền đến vùng ánh sáng (OL) và một cấu trúc vòng được hình thành để ngăn chặn sự liên kết của các protein liên kết DNA sợi đơn của ty thể.

Trong vòng lặp này, RNA polymerase của ty thể liên kết và quá trình tổng hợp đoạn mồi mới bắt đầu. Quá trình chuyển đổi sang tổng hợp chuỗi nặng (OH) xảy ra sau đó 25 nucleotide.

Ngay tại thời điểm chuyển sang chuỗi nặng (OH), RNA polymerase của ty thể được thay thế bằng DNA polymerase sao chép của ty thể ở đầu 3 ', nơi bắt đầu sao chép ban đầu.

Cuối cùng, quá trình tổng hợp cả hai chuỗi, cả chuỗi nặng (OH) và nhẹ (OL) diễn ra liên tục cho đến khi hình thành hai phân tử tròn hoàn chỉnh của DNA sợi kép (mạch kép).

Các bệnh liên quan

Có rất nhiều bệnh liên quan đến sự trục trặc của DNA ty thể. Hầu hết là do đột biến làm hỏng trình tự hoặc thông tin có trong bộ gen.

Giảm thính lực do tuổi tác ngày càng cao

Một trong những căn bệnh được nghiên cứu nhiều nhất có liên quan trực tiếp đến những thay đổi trong bộ gen DNA ty thể, đó là mất thính giác do tuổi tác ngày càng cao.

Tình trạng này là sản phẩm của các yếu tố di truyền, môi trường và lối sống. Khi con người già đi, DNA ty thể tích tụ các đột biến có hại, chẳng hạn như mất đoạn, chuyển vị, đảo đoạn, v.v.

Thiệt hại đối với DNA của ty thể chủ yếu là do sự tích tụ của các loại oxy phản ứng, đây là các sản phẩm phụ của quá trình sản xuất năng lượng trong ty thể.

DNA ti thể đặc biệt dễ bị hư hỏng, vì nó không có hệ thống sửa chữa. Do đó, những thay đổi gây ra bởi các loài oxy phản ứng làm hỏng DNA của ty thể và làm cho cơ quan hoạt động sai, gây ra cái chết của tế bào.

Các tế bào của tai trong có nhu cầu cao về năng lượng. Nhu cầu này khiến chúng trở nên đặc biệt nhạy cảm với tổn thương DNA ty thể. Những tổn thương này có thể làm thay đổi không thể phục hồi chức năng của tai trong, dẫn đến mất thính lực toàn bộ.

Ung thư

DNA ty thể đặc biệt nhạy cảm với đột biến xôma, đột biến không di truyền từ bố mẹ. Những loại đột biến này xảy ra trong DNA của một số tế bào trong suốt cuộc đời của một người.

Có bằng chứng cho thấy mối liên hệ giữa những thay đổi DNA ty thể do đột biến soma với một số loại ung thư, các khối u ở tuyến vú, trong ruột kết, dạ dày, gan và thận.

Các đột biến trong DNA ty thể cũng có liên quan đến bệnh ung thư máu như bệnh bạch cầu và u lympho (ung thư của các tế bào của hệ thống miễn dịch).

Các chuyên gia liên kết các đột biến soma trong DNA ty thể với sự gia tăng sản xuất các loại oxy phản ứng, các yếu tố làm tăng tổn thương DNA ty thể và tạo ra sự thiếu kiểm soát trong sự phát triển của tế bào.

Người ta biết rất ít về cách những đột biến này làm tăng sự phân chia tế bào không kiểm soát của tế bào và làm thế nào chúng phát triển thành các khối u ung thư.

Hội chứng nôn có chu kỳ

Một số trường hợp nôn mửa theo chu kỳ, điển hình của thời thơ ấu, được cho là có liên quan đến đột biến trong DNA ty thể. Những đột biến này gây ra các cơn buồn nôn, nôn, mệt mỏi hoặc hôn mê lặp đi lặp lại.

Các nhà khoa học liên kết những đợt nôn mửa này với thực tế là các ty thể với DNA ty thể bị hư hỏng có thể ảnh hưởng đến một số tế bào của hệ thần kinh tự chủ, ảnh hưởng đến các chức năng như nhịp tim, huyết áp và tiêu hóa.

Bất chấp những mối liên quan này, vẫn chưa rõ ràng làm thế nào những thay đổi trong DNA ty thể gây ra các đợt tái phát của hội chứng nôn mửa theo chu kỳ.

Người giới thiệu

1. Clayton, D. (2003). Sao chép DNA ty thể: những gì chúng ta biết. Đời sống IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Sự sao chép DNA ty thể trong tế bào động vật có vú: tổng quan về con đường. Các tiểu luận về hóa sinh, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Sự thừa kế của mẹ đối với DNA ty thể của con người. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Trả lời Lutz-Bonengel và cộng sự: Sự truyền mtDNA của cha mẹ không có khả năng là kết quả của các đoạn DNA ty thể nhân. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG và Suomalainen, A. (2019). Số phận của một ty thể của một người cha. Thiên nhiên, 565 (7739), 296-297.
6. Thư viện Y học Quốc gia. Tham khảo nhà di truyền: hướng dẫn của bạn để hiểu các điều kiện di truyền.
7. Shadel, GS & Clayton, DA (1997). Duy trì DNA ty thể ở động vật có xương sống. Đánh giá hàng năm về hóa sinh, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ và Snustad, DP (2006). Nguyên lý của di truyền học. John Wiley và các con trai.