6.13: 동물 미토콘드리아의 유전

Animal Mitochondrial Genetics
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Animal Mitochondrial Genetics

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02:59 min
November 23, 2020

Overview

Among all the organelles in an animal cell, only mitochondria have their own independent genomes. Animal mitochondrial DNA is a double-stranded, closed-circular molecule with around 20,000 base pairs. Mitochondrial DNA is unique in that one of its two strands, the heavy, or H, -strand is guanine rich, whereas the complementary strand is cytosine rich and called the light, or L, -strand. Compared to nuclear DNA, mitochondrial DNA has a very low percentage of non-coding regions and is marked by the complete absence of introns. Also, their genes are very closely spaced and some of them even have overlapping regions. D-loop is the most important regulatory non-coding region of mitochondrial DNA, which also contains the origin of the replication for the H-strand. Mitochondrial genetic code differs from nuclear DNA code with respect to a few codons. For example, codon UGA, AUA, and AGA/AGG codes for STOP codon, isoleucine, and arginine, respectively, in nuclear DNA while the same codons codes for tryptophan, methionine and STOP codon, respectively, in animal mitochondrial DNA. 

Replication of nuclear DNA is coordinated with the cell cycle and must be finished before cell division occurs. Another characteristic feature of the mitochondrial genome is its relaxed DNA replication, where unlike nuclear DNA, replication is independent of the cell cycle and can go on in daughter cells even after cell division.

Maternal Inheritance

In mammals, mitochondrial DNA gets inherited only from the mother’s oocyte as the mitochondria present in the sperm are selectively degraded by a ubiquitin-mediated pathway in the zygote.  Mutations in mitochondrial genes can result in diseases such as Leber’s hereditary optic neuropathy or Leigh syndrome; therefore,  if the mother carries such mutations, her offspring can inherit these diseases. Recently, new therapies such as mitochondrial replacement can allow the birth of an unaffected child to an affected mother.   The nucleus of the mother’s oocyte is transferred to an enucleated oocyte of a healthy donor with normal mitochondria before fertilization. This technique has led to the birth of the so-called “three-parent baby,” who did not inherit the mother’s mitochondrial disease.

Transcript

미토콘드리아는 에너지가 풍부한 ATP 분자를 생성하며 동물 세포에서 자체 유전 시스템을 가진 유일한 세포 기관입니다.

오늘날의 미토콘드리아는 호기성 박테리아에서 진화한 것으로 생각되며, 포식자와 상호 이익이 되거나 공생적인 관계를 형성했습니다.

시간이 지남에 따라 이 박테리아의 많은 유전자가 숙주 세포의 핵 DNA로 전달되고 다른 유전자는 손실되어 작지만 독립적인 미토콘드리아 DNA가 남았습니다.

근육 세포와 같은 일부 세포에는 수백 개의 미토콘드리아가 포함될 수 있지만 적혈구와 같은 다른 세포에는 미토콘드리아가 포함되어 있지 않습니다. 각 미토콘드리아는 미토콘드리아 DNA의 사본을 최대 10개까지 포함할 수 있습니다.

미토콘드리아 DNA는 핵 DNA에 존재하는 수백만 개의 염기쌍과 비교하여 동물 세포에서 길이가 14,000bps에서 20,000bps까지 다양한 닫힌 원형 분자입니다.

이 미토콘드리아 DNA는 16S 및 12S rRNA, 최대 25개의 tRNA, 13개의 호흡 사슬 단백질과 같은 소수의 생체 분자만 암호화합니다. 미토콘드리아 기능에 필요한 나머지 단백질에 대한 핵 DNA 코드.

미토콘드리아 DNA의 약 93%가 단백질을 암호화하는데, 핵 DNA는 약 1%만이 영역을 암호화하고 있습니다. 이것은 부분적으로 진핵생물 DNA의 규칙적인 특징인 인트론이 미토콘드리아 DNA에 없기 때문입니다.

유전 암호의 여러 염기서열은 DNA의 유형에 따라 다르게 번역됩니다. 예를 들어, 코돈 UGA는 미토콘드리아 DNA에서 트립토판을 암호화하는 반면, 핵 DNA에서는 정지 코돈입니다.

미토콘드리아 DNA는 미토콘드리아 DNA의 돌연변이 속도가 10배 이상 높기 때문에 핵 DNA보다 진화 속도가 빠릅니다.

이는 미토콘드리아 DNA가 핵 DNA와 같은 히스톤에 의해 보호되지 않고 미토콘드리아 반응 중에 생성되는 활성 산소 종에 노출되기 때문입니다. 또한 효율성이 떨어지는 DNA 복구 기계도 있습니다.

미토콘드리아 DNA의 전달은 항상 어머니에서 자손에게 일어납니다. 이것을 모계 유전이라고 합니다.

모계 유전은 수정 후 정자에 존재하는 소수의 미토콘드리아는 분해되는 반면 난자에 있는 많은 미토콘드리아는 배아에 남아 자손의 모든 세포로 전달되기 때문에 발생합니다.

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