Mitochondrija ir DNR išlaikymo menas

Anonim

Žmonės turi 46 chromosomas, ir kiekviena iš jų yra uždengta abiem pusėms, pasikartojančiomis pasekmėmis, vadinamų telomerais. Jei paprašysite biologo, jei žmonės turi apskritą DNR, jie gali pasakyti "ne". Taip yra todėl, kad eukariotinių ląstelių branduoliai turi linijines chromosomas, o prokariotams yra apskritiminiai nukleoidai ir plazmidės. Tačiau biologai taip pat žino, kad dauguma mūsų ląstelių turi mitochondrijas, kurios faktiškai išlaiko apskritimo DNR, chromosomą "M", kurią jie paveldėjo iš savo prokariotinių protėvių.

Galima paklausti: ar mitochondrijose yra linijinės DNR? Teisingas atsakymas į šį antrąjį ir šiek tiek niūrus klausimas yra dar kartą teigiamas. Nukleotidai mitochondrijose turi būti apvalūs, kad mašinos, kopijuoja savo DNR į darbą. Transkripcija mitochondrijose yra tiesiogiai susijusi su replikacija, taip pat reikalauja apipjaustytų nukleoidų. Tačiau linijiniai nukleoidai egzistuoja sveiki būklėje pusiausvyros su apskrito nukleoidų, esančių mitochondrijų tinkle. Tai suteikia ląstelių ar audinių kelią tiesioginiam, o netiesiogiai, mitochondrijų būklei ir gausai kontroliuoti mtDNR gausą.

Kas yra linijinės mtDNK likimas? Dvigubos grandinės pertraukos (DSB) nuolat generuojamos kaip pakartotinio sugadinimo šalutinis produktas arba nesėkmingas nukentėjusių ir netinkamai nukopijuotų nukleotidų DNR atkūrimas. Nors nukleotidai paprastai gali atsinaujinti maždaug per 90 minučių, DNR polimerazės yra išdžiūvusios, kai nukleotidų parduotuvės yra nepakankamos arba netinkamai subalansuotos. Kai tai atsitiks, dalykai suskaido; esminiai veiksniai pradeda palikti replikacijos ir transkripcijos kompleksą, o tinkama korektūra tampa dažna auka.

Visiškas dvigubo sluoksnio pertraukimas paprastai laikomas blogiausiu blogiausiu, kai kalbama apie DNR žalą. Laisvieji galai yra iš esmės gyvi laidai, kurie lengvai gali būti rekombinuoti pavojingais būdais, kad sukeltų padegimą. Linijinės chromosomos branduolyje naudoja telomerus, kad apsaugotų jų prarastus galus nuo skilimo visur veikiančiomis nukleazėmis. Šių specialių apsaugos funkcijų replikacija reikalauja kitokio proceso, nuo replikacijos likusios chromosomos. Nors mitochondrijos yra sugebančios ištaisyti kai kuriuos DSB, naudojant homologinę rekombinaciją ir DNR ligas, dažniausiai pasitaikantis būdas susidoroti su DSB yra susilpninti eksonukleazėmis.

Iki šiol nebuvo suprasti, kaip linijinė mtDNR buvo degraduota. Naujo straipsnio " Gamta" autoriai parodė, kad tokia pati mechanika, atsakinga už mtDNR replikaciją, taip pat politiškai ją pertraukia. Buvo nustatyta, kad trys pagrindiniai baltymai, helicase TWNK, polimerazė POLG ir eksonuklezė MGME1 jungiasi į funkcinį vienetą. TWNK pirmiausia atlieka DNR atšilimą, kad būtų galima pasiekti atskirus kanalus. MGME1, kuris turi tvirtą nejautrą veikimui 5'3 "kryptimi viengubos DNR, tada pradeda virškinti vieną giją.

Pagrindinis autorių pateiktas supratimas yra tas, kad kita kryptis tuo pačiu metu apdorojama vietine "3" iki 5 "eksonukleazine veikla, pastatyta į pagrindinę POLG polimerazės subvienetą. Įvedus specifines mutacijas, kurios pašalina eksonukleazės poveikį, buvo pažeistas gebėjimas suskaidyti linijinę mtDNR. POLG mutacijos yra dažna mitochondrijų ligos priežastis, ypač mtDNR išsekimo ir išbraukimo sutrikimų atvejais. Dabar yra didelės duomenų bazės, kad būtų galima stebėti neseniai praneštus POLG variantus ir visus jų žinomus padarinius.

Kadangi POLG subvienetai yra koduojami branduolyje (mitonukleariniame genome), gali būti įmanoma ištaisyti POLG buggy versijas, naudojant CRISPR geno redagavimo metodus. Mutacijos pačioje mtDNR dažnai sukelia kitų rūšių mitochondrijų sutrikimus. Kartais tam tikri paprastai gerybinių mtDNR variantų deriniai gali netgi sukurti ligos būsenas. Deja, CRISPR neturi prasmės redaguoti minimalių, kompaktinių mitochondrijų genomų. Yra tik keletas kandidatų vietų, kur CRISPR net būtų fiziškai įmanoma mtDNR. Šioms problemoms spręsti pastaruoju metu tapo naujų dizainerių nukleozių, tokių kaip TALEN (transkripcijos aktyvatorius panašūs efekto nukleazės) ir ZFNs (cinko pirštų nukleazės), kurios gali nukirpti DNR konkrečiose vietose.

"Mitochondrijų" vadinamojo vienkartinio genomo grožis yra tas, kad norint išspręsti ligą nėra būtina išsamiai modifikuoti genas. Viskas, ką reikia padaryti, yra atsikratyti bet kokių pažeidžiamų nukleoidų, o tada leisti endogeninėms degradacijos sistemoms tai padaryti. Pagrindinis sunkumas čia yra išsiaiškinti, kur daugiausia yra blogų nukleoidų ir kaip juos išskirtinai nukreipti. Plačiai vertinama, kad skirtingi audiniai gali būti išeikvoti iš sveikų mitochondrijų arba selektyviai kaupti pažeistą mtDNR. Pavyzdžiui, fibroblastai ir skeleto raumenys yra susieti su specifinėmis kūno patologijomis, o tinklainė ir smegenėlė su specifiniais nervų funkcijos įžeidimais.

Darant prielaidą, kad galima papildyti mtDNR tiesioginiu įpurškimu pagrindiniuose prieigos taškuose organizme, būtų galima pagerinti atsargas visame lauke alternatyviais mitochondrijų binging ir išvalymo ciklais. Kitaip tariant, tinkamai įkapsuliuotos geros mitochondrijos gali būti periodiškai persodintos į kraują, CSF ar raumenis. Tada po tam tikro delsimo nucelazės terapija gali pakaitomis įnešti DSB ir paskesnio skilimo laikotarpį. Tai bent teoriškai sumažins blogų mitochondrijų bet kokią savavališkai mažą koncentraciją. Tokia strategija net nereikalauja, kad nukleazės būtų visiškai selektyvios, nukreiptos į mutavus mtDNR porcijas.

Kitas požiūris, kurį mes galime vadinti "imunoterapija mitochondrijų", taip pat galėtų būti būdas taikyti daugiau galios kloniškai besiplečiančios mutantinės mtDNR problemai. Tai veiktų panašiai kaip dabar labai sėkminga vėžio imunoterapija. Tam tikroms ligos sąlygoms, tokioms kaip pirminė tulžies pūslelinė cirozė, imuninė sistema klaidingai interpretuoja natūralius mitochondriškai lokalizuotus antigenus kaip svetimus priešus. Tokiu atveju tai yra piratavo dehidrogenazės komplekso E2 subvienetas, rastas mitochondrinėje matricoje, kuri yra kaltininkas. Imuninė sistema taip pat gali atpažinti ypatingus de-novo mutavusių mitochondrijų gaminius, taip pat protiočių mtDNR savybes. Pavyzdžiui, hipomeliuotos CpG vietos ar oksidacinė pažeista mtDNR gali būti labai imunogeninės, jei jas pateikia baltųjų kraujo kūnelių kraujas ar audinys.

Keletas papildomų įžvalgų (ir įspėjimų) apie tai, kaip gali atsirasti ir išspręsti dviprasmiškos pertraukos, buvo mokslininkai Dougas Turnbillas ir Robertas Tayloras iš Wellcome centro mitochondrijų tyrimų. Viename specialiame dokumente jie pasiūlė, kad ištrynus mtDNR dažniausiai generuojamos DNR pažeidimo taisymo metu, o ne replikacijos paklaidose. Konkrečiau kalbant, jie siūlo, kad būdingas ištrynimas yra inicijuojamas viengubų mtDNR segmentų, kurie, savo ruožtu, buvo generuojami eksonukleazėmis, kuriomis užpuls dvigubos pertvaros. Laisvosios vienos grandinės galėtų atsinaujinti mikrohomologija arba pakartotinės sekos kitoje vienguboje mtDNR ir atlikti remontą į nepažeistą, bet iš dalies išbrauktą būseną.

Vėlesniame darbe šie mokslininkai pranešė, kad pacientai, turintys mitochondrinės ligos, kurioms reikšmingas neuronų praradimas "substantia nigra", turėjo POLG mutacijas. Atsižvelgiant į tai, kad visiškai normaliai ir sveiki žmonės, maždaug pusė visų jų substantia nigra neuronuose esančių mtDNR turi mažiausiai vieną ištrynimą, o gydymo būdai, skirti nustatyti šiuos nuspėjamus įtarimus, turėtų būti kritiškas dėmesys greitai besivystančiose mitochondrijų vaistų srityje.

menu
menu