آنالیز DNA میتوکندری (mtDNA) | بررسی خویشاوندی از طریق بررسی DNA میتوکندری

دکتر فرزاد باباخانی
آخرین بروزرسانی
1 بهمن 1402
آخرین بروزرسانی
1 بهمن 1402
آنالیز DNA میتوکندری (mtDNA) | بررسی خویشاوندی از طریق بررسی DNA میتوکندری

تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) تکنیکی است که در علم پزشکی قانونی و انسان‌شناسی برای بررسی نسب خویشاوندی یا مادری استفاده می‌شود. برخلاف DNA هسته ای که از هر دو والدین به ارث می رسد، mtDNA منحصراً از مادر به فرزندانش منتقل می شود. این الگوی وراثتی منحصر به فرد، تجزیه و تحلیل mtDNA را به ویژه برای مطالعه روابط مادر مفید می کند.

چرا و با چه هدفی آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) درخواست می شود؟

تست تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) برای اهداف مختلف در زمینه پزشکی و پزشکی قانونی درخواست می شود. در اینجا دلایل اصلی برای انجام تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری وجود دارد:

  • شناسایی افراد گمشده: در تحقیقات پزشکی قانونی، از تجزیه و تحلیل mtDNA می توان برای شناسایی افراد استفاده کرد، به ویژه در موارد گمشده یا بقایای ناشناس که ممکن است DNA هسته ای تخریب شده یا در دسترس نباشد.
  • تحقیقات صحنه جرم: تجزیه و تحلیل mtDNA ممکن است برای تطبیق شواهد بیولوژیکی یافت شده در صحنه جرم با مظنونان یا قربانیان احتمالی استفاده شود.
  • نسب و اصل و نسب مادری: تجزیه و تحلیل mtDNA در تست های تبارشناسی و نسب برای ردیابی دودمان مادری استفاده می شود. این به افراد کمک می کند تا میراث مادری خود را کشف کنند و اصل و نسب مادری خود را درک کنند.
  •  ژنتیک جمعیت: محققان از تجزیه و تحلیل mtDNA برای مطالعه مهاجرت های تاریخی انسان، جابجایی جمعیت و روابط تکاملی استفاده می کنند.
  • اختلالات میتوکندریایی: در زمینه های پزشکی خاص، از تجزیه و تحلیل mtDNA برای تشخیص اختلالات میتوکندریایی استفاده می شود. جهش یا تغییرات در mtDNA می تواند با طیف وسیعی از بیماری های میتوکندری مرتبط باشد.
  • مطالعات انسان شناسی: دانشمندان از تجزیه و تحلیل mtDNA برای بررسی تاریخچه تکامل انسان، الگوهای مهاجرت و ژنتیک جمعیت استفاده می کنند. این بینشی در مورد اجداد مادری جمعیت های مختلف ارائه می دهد.
  • اطمینان از اصل و نسب مادر: در موارد استفاده از فناوری های کمک باروری مانند لقاح آزمایشگاهی (IVF)، تجزیه و تحلیل mtDNA ممکن است برای تایید اصل و نسب مادری جنین ها استفاده شود.

توجه به این نکته مهم است که اگرچه تجزیه و تحلیل mtDNA مزایای خود را دارد، اما محدودیت هایی نیز دارد. معمولاً برای شناسایی فردی در تحقیقات پزشکی قانونی معمول که در آن تجزیه و تحلیل DNA هسته ای رایج تر است، استفاده نمی شود. علاوه بر این، تمرکز بر اصل و نسب مادر به این معنی است که تجزیه و تحلیل mtDNA اطلاعاتی را فقط در مورد جنبه مادری خانواده ارائه می دهد.

در چه شرایطی آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) بایستی انجام شود؟

تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) در زمینه شرایط و بیماری های پزشکی خاص، به ویژه آنهایی که با اختلال عملکرد میتوکندری مرتبط هستند، انجام می شود. در اینجا مواردی وجود دارد که در آن آزمایش تجزیه و تحلیل mtDNA ممکن است در نظر گرفته شود:

  • اختلالات میتوکندریایی: اختلالات میتوکندری می تواند با طیف وسیعی از علائم، از جمله ضعف عضلانی، خستگی، مشکلات عصبی، تأخیر در رشد و اختلال عملکرد اندام ظاهر شود.
  • نوروپاتی ارثی بینایی لبر (LHON): LHON در درجه اول بر عصب بینایی تأثیر می گذارد و می تواند منجر به از دست دادن ناگهانی بینایی شود، اغلب در بزرگسالان جوان.
  • صرع میوکلونیک با الیاف قرمز رنگ (MERRF):MERRF یک اختلال نادر است که با تشنج های میوکلونیک، ضعف عضلانی و الیاف قرمز رنگی که در بیوپسی عضله دیده می شود مشخص می شود. ویژگی های مرتبط با MERRF شامل آتاکسی مخچه، میوپاتی، آریتمی قلبی، کاهش شنوایی حسی عصبی، آتروفی بینایی و زوال عقل است.
  • آنسفالومیوپاتی میتوکندری، اسیدوز لاکتیک، و اپیزودهای شبه سکته مغزی (MELAS): MELAS یک اختلال میتوکندریایی با علائمی مانند سکته مغزی، تشنج، ضعف عضلانی و اسیدوز لاکتیک است.
  • سندرم کرنز-سایر (KSS): KSS با علائمی مانند افتالمپلژی خارجی پیشرونده، نقص هدایت قلبی و شروع قبل از 20 سالگی مشخص می شود.

توجه به این نکته مهم است که تجزیه و تحلیل mtDNA معمولاً به عنوان یک آزمایش غربالگری معمول انجام نمی شود، بلکه بر اساس سوء ظن بالینی اختلال میتوکندری درخواست می شود.

نمونه مورد نیاز برای آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA):

  • ظرف/لوله: لوله با درب بنفش (حاوی ضد انعقاد EDTA) / لوله با درب زرد (حاوی ACD) / فلاسک های محیط کشت سلول / ظرف حاوی محیط انتقالی
  • نوع نمونه: خون کامل / بافت (بیوپسی پوست، بافت عضله، بافت عصبی) / سلول هاب فیبروبلاست کشت شده
  • برای نمونه خون حداقل 5 سی سی مورد نیاز است.
  • ظرف استریل با هر محیط کشت سلولی استاندارد (به عنوان مثال، حداقل محیط ضروری، RPMI 1640). محلول باید با پنی سیلین 1 درصد و استرپتومایسین تکمیل شود.

نمونه مورد نیاز برای آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری mtDNA

روش های مختلف جمع آوری نمونه های آزمایشگاه

روش های مختلف جمع آوری نمونه های آزمایشگاه

لوله های آزمایش و ضد انعقادها (Test tubes and Anticoagulants)

لوله های آزمایش و ضد انعقادها (Test tubes and Anticoagulants)

ذخیره سازی نمونه های آزمایشگاهی

ذخیره سازی نمونه های آزمایشگاهی

روش های آزمایشگاهی انجام آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA):

روش واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR):

PCR یک تکنیک بیولوژی مولکولی است که برای تکثیر و تکثیر توالی‌های خاص DNA استفاده می‌شود. در زمینه تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA)، PCR یک گام مهم برای تقویت انتخابی ناحیه mtDNA مورد نظر است. در اینجا شرح مفصلی از روش PCR برای تجزیه و تحلیل mtDNA آورده شده است:

  • استخراج DNA: با استخراج DNA کل از نمونه بیولوژیکی که می تواند خون، بافت یا سلول باشد، شروع کنید. جداسازی DNA میتوکندری از مخزن DNA کل با استفاده از روش هایی مانند سانتریفیوژ افتراقی یا کیت های استخراج DNA تجاری که به طور خاص برای mtDNA طراحی شده اند.
  • طراحی پرایمر: پرایمرهای خاصی را طراحی کنید که به نواحی کناری توالی mtDNA هدف بازپخت شوند. این آغازگرها مرزهای تکثیر DNA را مشخص می کنند. انتخاب پرایمرها برای اطمینان از اختصاصی بودن ناحیه mtDNA مورد نظر بسیار مهم است.
  • تنظیم واکنش PCR: یک مخلوط واکنش حاوی الگوی DNA، پرایمرها، DNA پلیمراز، نوکلئوتیدها (A, T, C, G) و بافر تهیه کنید. مخلوط واکنش در معرض چرخه حرارتی قرار می گیرد که شامل چرخه های مکرر تغییرات دما است.
  • دناتوراسیون (94 تا 98 درجه سانتیگراد): مخلوط واکنش را تا دمای بالا گرم کنید تا الگوی DNA دناتوره شود و دو رشته مارپیچ دوتایی از هم جدا شوند. این معمولا در حدود 94-98 درجه سانتیگراد رخ می دهد.
  • بازپخت (50 تا 65 درجه سانتیگراد): مخلوط واکنش را خنک کنید تا پرایمرها به توالی های مکمل روی DNA دناتوره شده بازپخت (پیوند شوند). دمای این مرحله به دمای ذوب پرایمرها بستگی دارد و معمولاً در محدوده 50 تا 65 درجه سانتیگراد است.
  • توسعه (72 درجه سانتیگراد): افزایش دما برای تسهیل فعالیت DNA پلیمراز. این آنزیم یک رشته DNA مکمل را با گسترش از پرایمرها سنتز می کند. این در دمای حدود 72 درجه سانتیگراد رخ می دهد.
  • چرخه دمایی: مراحل دناتوراسیون، بازپخت و گسترش را در چرخه (معمولاً 20 تا 40 سیکل) تکرار کنید تا ناحیه هدف mtDNA را به صورت نمایی تقویت کنید.
  • محصول PCR: پس از اتمام چرخه، واکنش PCR منجر به تولید مقدار زیادی از قطعه خاص mtDNA می شود.
  • تأیید: موفقیت PCR را با اجرای محصول تقویت شده روی ژل آگارز تأیید کنید. الکتروفورز ژل، قطعات DNA را بر اساس اندازه جدا می کند، و امکان تجسم قطعه mtDNA تقویت شده را فراهم می کند.
واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) | Polymerase Chain Reaction

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) | Polymerase Chain Reaction

سپس mtDNA تقویت شده با PCR را می توان برای کاربردهای مختلف پایین دستی، مانند تعیین توالی، تجزیه و تحلیل پلی مورفیسم طول قطعه محدود (RFLP) یا هر روش خاص دیگری که برای تجزیه و تحلیل mtDNA انتخاب شده است، استفاده کرد.

در روش Polymerase Chain Reaction (PCR) را برای انجام آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) پرایمر علیه کدام نواحی طراحی می شود؟

در تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) با استفاده از روش واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)، پرایمرها در برابر مناطق خاصی از mtDNA طراحی می شوند. انتخاب این مناطق به اهداف تجزیه و تحلیل بستگی دارد و محققان اغلب بخش های خاصی از ژنوم میتوکندری را هدف قرار می دهند. در اینجا برخی از مناطق رایج مورد علاقه برای تجزیه و تحلیل mtDNA آورده شده است:

  • منطقه کنترل (حلقه D): حلقه D یا حلقه جابجایی، یک منطقه غیر کد کننده در mtDNA است. این بسیار متغیر است و اغلب برای مطالعات جمعیت و تجزیه و تحلیل پزشکی قانونی استفاده می شود. تغییرات موجود در این منطقه می تواند اطلاعاتی در مورد اصل و نسب مادر ارائه دهد.
  • ژن سیتوکروم b (CytB): ژن سیتوکروم b یک ژن کد کننده پروتئین در ژنوم میتوکندری است. PCR هدف قرار دادن این ژن برای مطالعات مربوط به شناسایی گونه، فیلوژنتیک، و زیست شناسی تکاملی استفاده می شود.
  • ژن زیرواحد I (COI) سیتوکروم c اکسیداز: COI یکی دیگر از ژن های کد کننده پروتئین است که اغلب برای تجزیه و تحلیل mtDNA هدف قرار می گیرد، به ویژه در مطالعات مربوط به شناسایی گونه های جانوری و تنوع زیستی.
  • ژن های RNA ریبوزومی 12S و 16S: اینها ژن های میتوکندریایی هستند که RNA ریبوزومی را کد می کنند. آنها در مطالعات فیلوژنتیک و تکاملی و همچنین در شناسایی دودمان مادری استفاده می شوند.
  •  ژن های ATP سنتاز (به عنوان مثال، ATP6، ATP8): ژن های کد کننده زیر واحدهای کمپلکس سنتاز ATP برای تجزیه و تحلیل در برخی از مطالعات هدف قرار می گیرند. این ژن ها در تولید انرژی در میتوکندری نقش دارند.
  • ژن های NADH دهیدروژناز (به عنوان مثال، ND1، ND2): ژن NADH دهیدروژناز بخشی از زنجیره تنفسی در میتوکندری است. آنها گاهی اوقات برای تجزیه و تحلیل mtDNA انتخاب می شوند، به ویژه در مطالعاتی که بر متابولیسم انرژی تمرکز دارند.
  • کدگذاری مناطق مورد علاقه: بسته به اهداف تحقیقاتی، دانشمندان ممکن است مناطق کدگذاری خاصی از ژنوم میتوکندری مربوط به مطالعه خود را انتخاب کنند. این می تواند شامل مناطق مرتبط با جهش های مرتبط با بیماری باشد.
  • مناطق فوق متغیر: برخی از مطالعات بر روی مناطق بیش از متغیر در ژنوم میتوکندری تمرکز می کنند که نرخ جهش بالایی را نشان می دهند. این مناطق برای تجزیه و تحلیل پزشکی قانونی و ژنتیک جمعیت ارزشمند هستند.

mtDNA

انتخاب نواحی هدف پرایمر برای ویژگی و موفقیت واکنش PCR بسیار مهم است. محققان با دقت پرایمرهایی را طراحی می کنند تا قسمت mtDNA مورد نظر را کنار بگذارند و اطمینان حاصل کنند که تقویت برای منطقه مورد نظر خاص است. علاوه بر این، در نظر گرفتن تنوع و اهمیت عملکردی منطقه انتخاب شده برای تفسیر نتایج در کاربردهای مختلف تجزیه و تحلیل mtDNA ضروری است.

روش پلی مورفیسم طول قطعه محدود (RFLP):

RFLP یک تکنیک زیست شناسی مولکولی است که برای تجزیه و تحلیل تغییرات ژنتیکی در DNA با استفاده از آنزیم های محدود کننده استفاده می شود. در زمینه تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA)، RFLP روشی برای تشخیص تغییرات در طول قطعات DNA ناشی از هضم mtDNA توسط آنزیم های محدود کننده خاص است. در اینجا شرح مفصلی از روش RFLP برای تجزیه و تحلیل mtDNA آورده شده است:

  • استخراج DNA: با استخراج DNA کل از نمونه بیولوژیکی شروع کنید و سپس با استفاده از روش های استخراج مناسب، mtDNA را از مخزن DNA کل جدا کنید.
  • تقویت PCR (اختیاری): در برخی موارد، محققان ممکن است قبل از اقدام به RFLP، یک ناحیه mtDNA خاص را با استفاده از واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) تقویت کنند. این تضمین می کند که مقدار کافی mtDNA برای تجزیه و تحلیل بعدی وجود دارد.
  • طراحی پرایمر (در صورت استفاده از PCR): در صورت انجام PCR، پرایمرهای خاصی را برای تقویت ناحیه mtDNA مورد نظر طراحی کنید. این پرایمرها باید در کنار ناحیه مورد نظر قرار گیرند و برای تولید یک قطعه DNA برای هضم استفاده می شوند.
  • هضم آنزیم محدود کننده: یک آنزیم محدود کننده انتخاب کنید که توالی های DNA خاصی را در ناحیه mtDNA تقویت شده تشخیص دهد. آنزیم DNA را در این مکان های تشخیص می شکافد. انتخاب آنزیم محدود کننده بسیار مهم است و بستگی به وجود یا عدم وجود مکان های شناسایی خاص دارد که ممکن است در بین افراد متفاوت باشد.
  • الکتروفورز: پس از هضم، قطعات DNA بر اساس اندازه آنها با استفاده از الکتروفورز ژل جدا می شوند. معمولا از ژل های آگارز یا پلی آکریل آمید استفاده می شود. ژل تحت یک میدان الکتریکی قرار می گیرد و باعث می شود قطعات DNA از طریق ژل مهاجرت کنند. قطعات کوچکتر سریعتر از قطعات بزرگتر حرکت می کنند.
  • تجسم: ژل را با یک رنگ حاوی DNA (مثلاً اتیدیوم بروماید) رنگ آمیزی کنید تا قطعات DNA جدا شده را زیر نور فرابنفش (UV) مشاهده کنید. الگوی حاصل از قطعات DNA روی ژل به الگوی RFLP معروف است.
  • تحلیل و تفسیر: الگوی RFLP را در بین افراد یا نمونه های مختلف مقایسه کنید. تفاوت در طول قطعه نشان دهنده تغییرات در توالی mtDNA است. تجزیه و تحلیل RFLP اغلب برای اهداف پزشکی قانونی، ژنتیک جمعیت و مطالعات تبار مادری استفاده می شود.

روش Restriction Fragment Length Polymorphism RFLP برای انجام آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری mtDNA

ملاحظات:
– موفقیت تجزیه و تحلیل RFLP به انتخاب آنزیم محدود کننده و وجود یا عدم وجود مکان های شناسایی در ناحیه mtDNA مورد نظر بستگی دارد.
– RFLP می تواند زمان بر باشد و ممکن است به وضوح برخی از تکنیک های مدرن مانند PCR و به دنبال آن توالی یابی ارائه نکند.
– روش به کیفیت و کمیت DNA استخراج شده از نمونه ها حساس است.

در حالی که RFLP در گذشته به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، روش های جدیدتر مانند پلی مرفیسم طول قطعه واکنش زنجیره ای-محدودیت پلیمراز (PCR-RFLP) و توالی یابی DNA تا حد زیادی جایگزین آن برای حساسیت و ویژگی بالاتر در تجزیه و تحلیل mtDNA شده است.

چه چیزی در آزمایش تجزیه و تحلیل DNA میتوکندری (mtDNA) مورد بررسی قرار می گیرد؟

ساختار میتوکندری:

میتوکندری اندامک های دو غشایی هستند که در سلول های اکثر موجودات یوکاریوتی یافت می شوند. این دو غشا به عنوان غشای میتوکندری خارجی و غشای میتوکندری داخلی شناخته می شوند. فضای بین این غشاها فضای بین غشایی نامیده می شود.

ساختار میتوکندری

عملکرد میتوکندری:

میتوکندری به دلیل نقش اصلی آنها در تولید انرژی، اغلب به عنوان “نیروگاه سلول” شناخته می شود. عملکرد اصلی آنها تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) است که منبع اصلی انرژی سلول است. این فرآیند از طریق تنفس سلولی، مجموعه ای از واکنش های بیوشیمیایی پیچیده، رخ می دهد.

مراحل اصلی در تولید ATP در داخل میتوکندری عبارتند از:

  • گلیکولیز: این مرحله اولیه در سیتوپلاسم انجام می شود و شامل تجزیه گلوکز به پیرووات است.
  • چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس): پیروات به داخل میتوکندری منتقل می شود، جایی که در چرخه اسید سیتریک بیشتر تجزیه می شود و مولکول هایی تولید می کند که الکترون های پر انرژی را حمل می کنند.
  • زنجیره انتقال الکترون (ETC): الکترون های پرانرژی از طریق کمپلکس های پروتئینی جاسازی شده در غشای میتوکندری داخلی منتقل می شوند. این فرآیند باعث ایجاد جریانی از پروتون ها در سراسر غشای داخلی به فضای بین غشایی می شود.
  •  سنتز ATP: جریان پروتون ها به ماتریکس میتوکندری از طریق سنتاز ATP باعث تولید ATP از آدنوزین دی فسفات (ADP) و فسفات معدنی می شود.

تنظیم آپوپتوز:

  • میتوکندری نقش مهمی در مرگ برنامه ریزی شده سلولی (آپوپتوز) دارد.
  • آنها پروتئین هایی از جمله سیتوکروم c را آزاد می کنند که باعث ایجاد یک آبشار از حوادث منجر به آپوپتوز می شود.
  • آپوپتوز برای از بین بردن سلول های آسیب دیده یا ناخواسته در طول تکامل و حفظ هموستاز بافت ضروری است.

تنظیم کلسیم:

  • میتوکندری در تنظیم سطح کلسیم سلولی نقش دارد. آنها یون های کلسیم را جدا کرده و آزاد می کنند و بر فرآیندهای سلولی مختلف از جمله انقباض عضلانی و سیگنال دهی سلولی تأثیر می گذارند.

تولید ROS و دفاع آنتی اکسیدانی:

  • میتوکندری ها منبع گونه های فعال اکسیژن (ROS) به عنوان محصولات جانبی واکنش های انتقال الکترون هستند.
  • سلول ها مکانیسم های آنتی اکسیدانی برای خنثی کردن ROS اضافی و جلوگیری از آسیب اکسیداتیو دارند.

متابولیسم و سنجش مواد مغذی:

  • میتوکندری در مسیرهای متابولیکی فراتر از تولید انرژی، مانند متابولیسم اسیدهای چرب و متابولیسم اسیدهای آمینه شرکت می کند.
  • آنها در دسترس بودن مواد مغذی را حس می کنند و به پاسخ های سلولی، از جمله سیگنال دهی انسولین کمک می کنند.

تولید گرما (بافت چربی قهوه ای):

  • در بافت چربی قهوه ای، میتوکندری حاوی یک پروتئین منحصر به فرد (پروتئین جداکننده 1 یا UCP1) است که به آنها اجازه می دهد از طریق فرآیندی به نام گرمازایی ، گرما را به جای ATP تولید کنند.

اهمیت تکاملی:

  • نظریه درون همزیستی نشان می‌دهد که میتوکندری‌ها منشأ تکاملی از باکتری‌های آزاد دارند که یک رابطه همزیستی با سلول‌های یوکاریوتی اجدادی ایجاد کردند. این نظریه با این واقعیت پشتیبانی می‌شود که میتوکندری‌ها شباهت‌هایی با باکتری‌ها دارند، مانند داشتن DNA خود و تولیدمثل مستقل در سلول‌ها.

عملکرد میتوکندری

DNA میتوکندری (mtDNA):

میتوکندری، اندامک‌های دو غشایی که در سلول‌های موجودات یوکاریوتی ساکن هستند، اغلب به عنوان «نیروگاه‌های سلولی» شناخته می‌شوند. اهمیت آنها نه تنها در نقش اصلی آنها در تولید انرژی، بلکه در ماده ژنتیکی منحصربه‌فردی است که به نام DNA میتوکندری (mtDNA) نامیده می‌شود.

وراثت مادری و ژنتیک منحصر به فرد: یکی از ویژگی های تعیین کننده mtDNA، وراثت انحصاری مادری آن است. برخلاف DNA هسته ای که مواد ژنتیکی هر دو والدین را ترکیب می کند، mtDNA صرفا از مادر منتقل می شود. این ردیابی نسب مادری بینش های ارزشمندی را در مورد مطالعات تکاملی و ژنتیک جمعیت ارائه می دهد.

وراثت مادری و ژنتیک منحصر به فرد DNA میتوکندری mtDNA

ساختار دایره ای و ژنوم: MtDNA ساختار دایره ای دارد و آن را از ساختار خطی DNA هسته ای جدا می کند. این پیکربندی دایره‌ای یادآور DNA باکتری است و از نظریه درون همزیستی حمایت می‌کند که میتوکندری‌ها منشأ تکاملی از باکتری‌های آزاد دارند. ژنوم mtDNA نسبتا فشرده است و ژن های ضروری برای عملکرد میتوکندری را کد می کند. این شامل ژن‌های اجزای زنجیره انتقال الکترون، RNA انتقالی (tRNA) و RNA ریبوزومی (rRNA) است که برای سنتز پروتئین‌های میتوکندری ضروری است.

ساختار DNA میتوکندری mtDNA

تولید انرژی و تنفس سلولی: نقش اصلی میتوکندری تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) از طریق تنفس سلولی، فرآیندی شامل گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس) و زنجیره انتقال الکترون (ETC) است. MtDNA پروتئین های کلیدی درگیر در انتقال الکترون را رمزگذاری می کند و آن را برای سنتز ATP ضروری می کند. جهش در mtDNA می تواند بر کارایی تنفس سلولی و تولید انرژی تأثیر بگذارد.

اختلالات و بیماری های میتوکندریایی: جهش یا حذف در mtDNA با گروهی از اختلالات به نام بیماری های میتوکندری مرتبط است. این اختلالات می توانند در بافت ها و اندام های مختلف ظاهر شوند و منجر به طیف وسیعی از علائم از جمله ضعف عضلانی، مشکلات عصبی و اختلال عملکرد متابولیک شوند.

اختلالات و بیماری های میتوکندریایی

 بینش تکاملی و ژنتیک جمعیت: ویژگی های منحصر به فرد mtDNA مانند وراثت مادری و میزان جهش نسبتاً بالای آن، آن را به ابزاری ارزشمند در مطالعات تکاملی و ژنتیک جمعیت تبدیل کرده است. محققان از تجزیه و تحلیل mtDNA برای ردیابی دودمان مادری، بررسی مهاجرت جمعیت و درک تنوع ژنتیکی انسان استفاده می کنند.

کاربردهای پزشکی قانونی: تجزیه و تحلیل MtDNA در علم پزشکی قانونی نقش دارد، به ویژه در مواردی که DNA هسته ای ممکن است تخریب شده یا در دسترس نباشد. DNA میتوکندریایی که در سلول‌ها فراوان‌تر است، می‌تواند به عنوان یک نشانگر ژنتیکی قابل اعتماد برای شناسایی افراد یا ایجاد روابط خانوادگی عمل کند.

سیگنالینگ سلولی و آپوپتوز: میتوکندری ها که توسط مواد ژنتیکی خود کنترل می شوند، در مسیرهای سیگنال دهی سلولی و آپوپتوز (مرگ برنامه ریزی شده سلولی) نقش دارند. آزاد شدن پروتئین‌های میتوکندریایی مانند سیتوکروم C باعث آپوپتوز می‌شود که مکانیزمی حیاتی برای حفظ هموستاز بافتی و از بین بردن سلول‌های آسیب‌دیده است.

سوالات متداول

mtDNA از نظر ساختار چه تفاوتی با DNA هسته ای دارد؟

از نظر ساختاری، یک تفاوت کلیدی بین mtDNA و DNA هسته ای در شکل آنها نهفته است. در حالی که DNA هسته ای ساختار خطی دارد، mtDNA ساختار دایره ای دارد. ماهیت دایره ای mtDNA یادآور DNA باکتریایی است و از نظریه درون همزیستی حمایت می کند که میتوکندری ها منشأ تکاملی از باکتری های آزاد دارند. علاوه بر این، mtDNA فشرده‌تر است و ژن‌های خاص مربوط به عملکرد میتوکندری را کد می‌کند، برخلاف اطلاعات ژنتیکی گسترده‌تر موجود در DNA هسته.

چرا mtDNA منحصراً از مادر به ارث می رسد؟

وراثت انحصاری مادری mtDNA به شرایط منحصر به فرد در طول لقاح نسبت داده می شود. در طول تشکیل تخمک (اووژنز)، میتوکندری های موجود در تخم مادر، تنها کمک کننده به میتوکندری در فرزندان حاصله هستند. در مقابل، میتوکندری های اسپرم، در صورت وجود، معمولاً به نسل بعدی منتقل نمی شوند. این وراثت تک والدینی یک اصل و نسب مادری واضح را فراهم می کند و mtDNA را به ابزاری ارزشمند برای ردیابی اجداد مادری تبدیل می کند.

ژن های اصلی کدگذاری شده در ژنوم mtDNA کدامند؟

ژنوم DNA میتوکندری (mtDNA) ژن های ضروری برای عملکرد میتوکندری را کد می کند. اینها شامل ژنهای اجزای زنجیره انتقال الکترون (ETC) است که برای تولید ATP حیاتی است. علاوه بر این، mtDNA RNA انتقالی (tRNA) و RNA ریبوزومی (rRNA) لازم برای سنتز پروتئین های میتوکندری را کد می کند. ژن‌های خاص در mtDNA شامل آنهایی هستند که پروتئین‌هایی مانند سیتوکروم c اکسیداز، NADH دهیدروژناز و ATP سنتاز را کد می‌کنند.

پیامدهای هتروپلاسمی در تجزیه و تحلیل mtDNA چیست؟

هتروپلاسمی به وجود انواع مختلف mtDNA در سلول های فرد اشاره دارد. این پدیده می تواند تجزیه و تحلیل mtDNA را پیچیده کند، زیرا تنوع در ساختار ژنتیکی میتوکندری در بافت ها را معرفی می کند. نسبت mtDNA جهش یافته و نوع وحشی می تواند متفاوت باشد و شدت اختلالات میتوکندری ممکن است به درجه هتروپلاسمی بستگی داشته باشد. در تشخیص و درک تظاهرات بالینی بیماری های میتوکندری چالش هایی ایجاد می کند.

ساختار دایره ای mtDNA چگونه با ریشه های تکاملی آن ارتباط دارد؟

ساختار دایره ای mtDNA ارتباط نزدیکی با نظریه اندوسیمبیوتیک دارد که پیشنهاد می کند میتوکندری ها از باکتری های زنده آزاد که توسط سلول های یوکاریوتی اجدادی غرق شده اند منشاء گرفته اند. باکتری ها معمولاً دارای DNA دایره ای هستند و ساختار دایره ای mtDNA بقایایی از این همزیستی تکاملی در نظر گرفته می شود. این نظریه توسط شباهت های دیگر بین میتوکندری و باکتری ها، مانند مواد ژنتیکی خود و توانایی تکثیر مستقل در سلول ها، پشتیبانی می شود.

mtDNA چگونه به تنظیم سطح کلسیم سلولی کمک می کند؟

میتوکندری ها با جداسازی و آزادسازی یون های کلسیم در تنظیم سطح کلسیم سلولی نقش دارند. هنگامی که سطح کلسیم سلولی افزایش می یابد، میتوکندری می تواند کلسیم اضافی را جذب کند و به عنوان یک بافر عمل کند و از اثرات بالقوه مضر جلوگیری کند. کلسیم ذخیره شده می تواند بعداً در پاسخ به سیگنال های خاص آزاد شود و بر فرآیندهای سلولی مختلف مانند انقباض عضلانی، سیگنال دهی سلولی و آپوپتوز (مرگ برنامه ریزی شده سلولی) تأثیر بگذارد.

میزان جهش بالا در mtDNA چه اهمیتی دارد؟

نرخ بالای جهش در mtDNA به چند دلیل قابل توجه است. اول، به تنوع ژنتیکی مشاهده شده در جمعیت های میتوکندری کمک می کند. دوم، در مطالعات تکاملی و ژنتیک جمعیت برای ردیابی دودمان و مهاجرت مادران استفاده می شود. با این حال، نرخ بالای جهش نیز چالش هایی را ایجاد می کند، زیرا جهش ها می توانند در طول نسل ها جمع شوند و منجر به اختلالات میتوکندریایی شوند. تعامل بین جهش و انتخاب در mtDNA پیامدهایی برای درک تکامل میتوکندری و تنوع ژنتیکی جمعیت های انسانی دارد.

همانندسازی mtDNA چه تفاوتی با همانندسازی DNA هسته ای دارد؟

همانندسازی DNA میتوکندری از چندین جنبه با همانندسازی DNA هسته ای متفاوت است. برخلاف تکثیر DNA هسته ای که در هسته سلول اتفاق می افتد، تکثیر mtDNA در داخل میتوکندری انجام می شود. میتوکندری ها ماشین آلات خود را برای همانند سازی دارند. علاوه بر این، تکثیر mtDNA شامل یک فرآیند دو طرفه از مبدا همانند سازی است که منجر به سنتز دو رشته دختر می شود. برخلاف DNA هسته ای، mtDNA فاقد هیستون است و همانندسازی آن تحت تأثیر ساختار و محیط منحصر به فرد درون میتوکندری است.

همانندسازی mtDNA

آیا عوامل محیطی می توانند بر جهش mtDNA و عملکرد میتوکندری تأثیر بگذارند؟

بله، عوامل محیطی می توانند بر میزان جهش mtDNA و عملکرد میتوکندری تأثیر بگذارند. قرار گرفتن در معرض عوامل استرس زای محیطی مانند سموم، آلاینده ها، تشعشعات و برخی داروها می تواند به تجمع جهش در mtDNA کمک کند. علاوه بر این، عوامل سبک زندگی مانند رژیم غذایی، ورزش و قرار گرفتن در معرض استرس اکسیداتیو ممکن است بر عملکرد میتوکندری تأثیر بگذارد. درک تعامل بین ژنتیک و محیط برای کشف پیچیدگی های سلامت میتوکندری و پرداختن به پیامدهای بالقوه برای شرایط مختلف سلامتی بسیار مهم است.

آیا ارتباط بالقوه ای بین جهش های mtDNA و انواع خاصی از سرطان ها وجود دارد؟

تحقیقات نشان می دهد که اختلال عملکرد میتوکندری، که اغلب با جهش های mtDNA همراه است، ممکن است در ایجاد و پیشرفت انواع خاصی از سرطان ها نقش داشته باشد. میتوکندری در متابولیسم انرژی سلولی، آپوپتوز و تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) نقش دارد – همه فرآیندهای دخیل در سرطان. جهش در mtDNA می تواند بر این عملکردها تأثیر بگذارد و به طور بالقوه به سرطان زایی کمک کند. با این حال، پیوندهای خاص بین جهش‌های mtDNA و انواع مختلف سرطان پیچیده و متفاوت است. تحقیقات در حال انجام با هدف کشف مکانیسم‌های مولکولی و پیامدهای بالینی دخالت میتوکندری در سرطان است.

در سایت MedlinePlus در مورد DNA میتوکندری (mtDNA) بیشتر بخوانید:

میتوکندری ساختارهای درون سلولی است که انرژی حاصل از غذا را به شکلی تبدیل می‌کند که سلول‌ها می‌توانند از آن استفاده کنند. هر سلول حاوی صدها تا هزاران میتوکندری است که در مایعی که هسته را احاطه کرده است (سیتوپلاسم) قرار دارند. اگرچه بیشتر DNA در کروموزوم های درون هسته بسته بندی شده است، میتوکندری ها نیز مقدار کمی از DNA خود را دارند. این ماده ژنتیکی به عنوان DNA میتوکندری یا mtDNA شناخته می شود. در انسان، DNA میتوکندری حدود 16500 بلوک ساختمانی DNA (جفت باز) را در بر می گیرد که نشان دهنده بخش کوچکی از کل DNA در سلول ها است.

مطالب مرتبط در متااورگانون:

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) | Polymerase Chain Reaction

واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) | Polymerase Chain Reaction

NGS | توالی یابی نسل بعدی | Next-generation sequencing | توالی یابی با توان بالا | High-throughput sequencing

NGS | توالی یابی نسل بعدی | Next-generation sequencing | توالی یابی با توان بالا | High-throughput sequencing

مورد تایید و بازبینی شده توسط:

دکتر فرزاد باباخانی

این مقاله را به دوستان خود معرفی کنید

منابع مقاله

  • Boles RG, Adams K, Li BU. Maternal inheritance in cyclic vomiting syndrome. Am J Med Genet A. 2005 Feb 15;133A(1):71-7. doi: 10.1002/ajmg.a.30524.
  • Bottger EC, Schacht J. The mitochondrion: a perpetrator of acquired hearing loss. Hear Res. 2013 Sep;303:12-9. doi: 10.1016/j.heares.2013.01.006. Epub 2013 Jan 27.
  • Chinnery PF. Primary Mitochondrial Disorders Overview. 2000 Jun 8 [updated 2021 Jul 29]. In: Adam MP, Feldman J, Mirzaa GM, Pagon RA, Wallace SE, Bean LJH, Gripp KW, Amemiya A, editors. GeneReviews(R) [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle; 1993-2024. Available from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1224/
  • Deschauer M, Muller T, Wieser T, Schulte-Mattler W, Kornhuber M, Zierz S. Hearing impairment is common in various phenotypes of the mitochondrial DNA A3243G mutation. Arch Neurol. 2001 Nov;58(11):1885-8. doi: 10.1001/archneur.58.11.1885.
  • Dimauro S, Davidzon G. Mitochondrial DNA and disease. Ann Med. 2005;37(3):222-32. doi: 10.1080/07853890510007368.
  • Finsterer J, Harbo HF, Baets J, Van Broeckhoven C, Di Donato S, Fontaine B, De Jonghe P, Lossos A, Lynch T, Mariotti C, Schols L, Spinazzola A, Szolnoki Z, Tabrizi SJ, Tallaksen CM, Zeviani M, Burgunder JM, Gasser T; European Federation of Neurological Sciences. EFNS guidelines on the molecular diagnosis of mitochondrial disorders. Eur J Neurol. 2009 Dec;16(12):1255-64. doi: 10.1111/j.1468-1331.2009.02811.x.
  • Fischel-Ghodsian N, Kopke RD, Ge X. Mitochondrial dysfunction in hearing loss. Mitochondrion. 2004 Sep;4(5-6):675-94. doi: 10.1016/j.mito.2004.07.040. Epub 2004 Nov 6.
  • Gil Borlado MC, Moreno Lastres D, Gonzalez Hoyuela M, Moran M, Blazquez A, Pello R, Marin Buera L, Gabaldon T, Garcia Penas JJ, Martin MA, Arenas J, Ugalde C. Impact of the mitochondrial genetic background in complex III deficiency. PLoS One. 2010 Sep 17;5(9):e12801. doi: 10.1371/journal.pone.0012801.
  • Guan MX. Molecular pathogenetic mechanism of maternally inherited deafness. Ann N Y Acad Sci. 2004 Apr;1011:259-71. doi: 10.1007/978-3-662-41088-2_25.
  • Kang D, Hamasaki N. Alterations of mitochondrial DNA in common diseases and disease states: aging, neurodegeneration, heart failure, diabetes, and cancer. Curr Med Chem. 2005;12(4):429-41. doi: 10.2174/0929867053363081.
  • Koga Y, Akita Y, Takane N, Sato Y, Kato H. Heterogeneous presentation in A3243G mutation in the mitochondrial tRNA(Leu(UUR)) gene. Arch Dis Child. 2000 May;82(5):407-11. doi: 10.1136/adc.82.5.407.
  • McFarland R, Taylor RW, Turnbull DM. The neurology of mitochondrial DNA disease. Lancet Neurol. 2002 Oct;1(6):343-51. doi: 10.1016/s1474-4422(02)00159-x.
  • McKenzie M, Liolitsa D, Hanna MG. Mitochondrial disease: mutations and mechanisms. Neurochem Res. 2004 Mar;29(3):589-600. doi: 10.1023/b:nere.0000014829.42364.dd.
  • Melone MA, Tessa A, Petrini S, Lus G, Sampaolo S, di Fede G, Santorelli FM, Cotrufo R. Revelation of a new mitochondrial DNA mutation (G12147A) in a MELAS/MERFF phenotype. Arch Neurol. 2004 Feb;61(2):269-72. doi: 10.1001/archneur.61.2.269.
  • Moraes CT, Ciacci F, Bonilla E, Jansen C, Hirano M, Rao N, Lovelace RE, Rowland LP, Schon EA, DiMauro S. Two novel pathogenic mitochondrial DNA mutations affecting organelle number and protein synthesis. Is the tRNA(Leu(UUR)) gene an etiologic hot spot? J Clin Invest. 1993 Dec;92(6):2906-15. doi: 10.1172/JCI116913.
  • Penta JS, Johnson FM, Wachsman JT, Copeland WC. Mitochondrial DNA in human malignancy. Mutat Res. 2001 May;488(2):119-33. doi: 10.1016/s1383-5742(01)00053-9.
  • Porteous WK, James AM, Sheard PW, Porteous CM, Packer MA, Hyslop SJ, Melton JV, Pang CY, Wei YH, Murphy MP. Bioenergetic consequences of accumulating the common 4977-bp mitochondrial DNA deletion. Eur J Biochem. 1998 Oct 1;257(1):192-201. doi: 10.1046/j.1432-1327.1998.2570192.x.
  • Pulkes T, Liolitsa D, Eunson LH, Rose M, Nelson IP, Rahman S, Poulton J, Marchington DR, Landon DN, Debono AG, Morgan-Hughes JA, Hanna MG. New phenotypic diversity associated with the mitochondrial tRNA(SerUCN) gene mutation. Neuromuscul Disord. 2005 May;15(5):364-71. doi: 10.1016/j.nmd.2005.01.006.
  • Rotig A, Bourgeron T, Chretien D, Rustin P, Munnich A. Spectrum of mitochondrial DNA rearrangements in the Pearson marrow-pancreas syndrome. Hum Mol Genet. 1995 Aug;4(8):1327-30. doi: 10.1093/hmg/4.8.1327.
  • Sadikovic B, Wang J, El-Hattab AW, Landsverk M, Douglas G, Brundage EK, Craigen WJ, Schmitt ES, Wong LJ. Sequence homology at the breakpoint and clinical phenotype of mitochondrial DNA deletion syndromes. PLoS One. 2010 Dec 20;5(12):e15687. doi: 10.1371/journal.pone.0015687. Erratum In: PLoS One. 2017 Nov 20;12 (11):e0188610.
  • Sano M, Ozawa M, Shiota S, Momose Y, Uchigata M, Goto Y. The T-C(8356) mitochondrial DNA mutation in a Japanese family. J Neurol. 1996 Jun;243(6):441-4. doi: 10.1007/BF00900496.
  • Schroder R, Vielhaber S, Wiedemann FR, Kornblum C, Papassotiropoulos A, Broich P, Zierz S, Elger CE, Reichmann H, Seibel P, Klockgether T, Kunz WS. New insights into the metabolic consequences of large-scale mtDNA deletions: a quantitative analysis of biochemical, morphological, and genetic findings in human skeletal muscle. J Neuropathol Exp Neurol. 2000 May;59(5):353-60. doi: 10.1093/jnen/59.5.353.
  • Serra G, Piccinnu R, Tondi M, Muntoni F, Zeviani M, Mastropaolo C. Clinical and EEG findings in eleven patients affected by mitochondrial encephalomyopathy with MERRF-MELAS overlap. Brain Dev. 1996 May-Jun;18(3):185-91. doi: 10.1016/0387-7604(95)00147-6.
  • Taylor RW, Turnbull DM. Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nat Rev Genet. 2005 May;6(5):389-402. doi: 10.1038/nrg1606.
  • Thorburn DR, Rahman J, Rahman S. Mitochondrial DNA-Associated Leigh Syndrome and NARP. 2003 Oct 30 [updated 2023 May 4]. In: Adam MP, Feldman J, Mirzaa GM, Pagon RA, Wallace SE, Bean LJH, Gripp KW, Amemiya A, editors. GeneReviews(R) [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle; 1993-2024. Available from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1173/
  • Uziel G, Moroni I, Lamantea E, Fratta GM, Ciceri E, Carrara F, Zeviani M. Mitochondrial disease associated with the T8993G mutation of the mitochondrial ATPase 6 gene: a clinical, biochemical, and molecular study in six families. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1997 Jul;63(1):16-22. doi: 10.1136/jnnp.63.1.16.
  • Van Camp G, Smith RJ. Maternally inherited hearing impairment. Clin Genet. 2000 Jun;57(6):409-14. doi: 10.1034/j.1399-0004.2000.570601.x.
  • van den Ouweland JM, Lemkes HH, Ruitenbeek W, Sandkuijl LA, de Vijlder MF, Struyvenberg PA, van de Kamp JJ, Maassen JA. Mutation in mitochondrial tRNA(Leu)(UUR) gene in a large pedigree with maternally transmitted type II diabetes mellitus and deafness. Nat Genet. 1992 Aug;1(5):368-71. doi: 10.1038/ng0892-368.
  • Wallace DC. Mitochondrial diseases in man and mouse. Science. 1999 Mar 5;283(5407):1482-8. doi: 10.1126/science.283.5407.1482.
  • Wang Q, Ito M, Adams K, Li BU, Klopstock T, Maslim A, Higashimoto T, Herzog J, Boles RG. Mitochondrial DNA control region sequence variation in migraine headache and cyclic vomiting syndrome. Am J Med Genet A. 2004 Nov 15;131(1):50-8. doi: 10.1002/ajmg.a.30323.
  • Yamashita S, Nishino I, Nonaka I, Goto YI. Genotype and phenotype analyses in 136 patients with single large-scale mitochondrial DNA deletions. J Hum Genet. 2008;53(7):598. doi: 10.1007/s10038-008-0289-8. Epub 2008 Apr 15.

این مقاله برای شما مفید بود؟

ثبت دیدگاه

Go to Top