Evolucija mitohondrijske DNA
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FILOZOFSKI FAKULTET
Katedra za antropologiju
Kolegij: Molekularna arheogenetika
2014./2015.
Sara Fabijanić
• kružna, dvolančana molekula DNA veličine između 15 000 i
20 000 parova baza• sadrži 37 gena:
– 22 tRNA (A – W)– 2 rRNA (12S i 16S)– 13 gena koji kodiraju za
proteine uključene u transport elektrona, oksidacijsku fosforilaciju i kontrolnu regiju (ATP6, ATP8, CO1,CO2,CO3,Cy b, ND1-ND6)
• moguće ju je izolirati iz gotovo svih tkiva s obzirom da se mitohondriji nalaze u gotovo svim stanicama
• koristan genetski biljeg
– ima mali genom jednostavne strukture
– nalazi se u svakoj stanici sa 0.0006% ili 1% ukupne mase stanične DNA 4-10 kopija mt DNA po mitohondriju
– haploidna je– nasljeđuje se od majke
(99,99% kod čovjeka; 100% kod biljaka
– nema nekodirajućih dijelova
– ima različitu stopu evolucije u svojim pojedinim dijelovima omogućava rješavanje filogenetskih pitanja na različitim taksonomskim razinama
– kod sisavaca je brzina evolucije mt DNA veća i do 10 puta od gena u jezgri, a dijelovi kontrolne regije evoluiraju 4-5 puta brže od ostatka molekule mt DNA
• mt DNA
• u mitohondrijima stanice• svaki mitohondrij može
sadržavati nekoliko kopija jedna molekule mt DNA
• nasljeđuje se isključivo od majke• kružna molekula• oslobođena nuklearne omotnice
• nuklearna DNA
• nalazi se u jezgri stanice• sadrži 2 seta s po 23 kromosoma• nasljeđuje se od oba roditelja• dvolančana molekula• ”upakirana” u kromatin• zatvorena nuklearnom
omotnicom
Endosimbiotska teorija – evolucija od jednostavnih prokariota do kompleksnih eukariota?
• prije 3 milijarde godina – žive samo bakterije najstarije stanice na Zemlji
• kisika nema u atmosferi• neke od njih počele su evoluirati i
fotosintezom stvarati vlastitu hranu proizvele su dovoljno kisika i promijenile Zemljinu atmosferu stvorile uvjete za opstanak novim oblicima
Kisik – dvosjekli mač
• esencijalan za život, ali samo onima
koji su evoluirali da bi ga koristili
• problem: može generirati slobodne
radikale – atomi ili molekule s
rezervnim elektronom koji ih čini
izuzetno reaktivnima
• mnoge od tih reakcija uzrokuju
mutacije i razne druge štete na živim
stanicama
• za organizme kod kojih nije
evoluirala sposobnost sprječavanja ili
popravka te štete, kisik može biti
toksičan
• kisik je otrovao mnoge bakterije,
ali kod nekih je evoluirala
sposobnost njegove uporabe
• tijekom mnogo generacija, neke od
njih postale su ovisne o kisiku jer
im je trebao za razgradnju hrane
• Lynn Margulis predložila je teoriju
prema kojoj su te bakterije iskusile
nekoliko endosimbiotskih epizoda
• endosimbioza život jednog
organizma unutar drugog
• endosimbiotska teorija opisuje
kako velika stanica domaćin i
bakterija koju je ona apsorbirala
lako mogu postati ovisne jedna o
drugoj kad je u pitanju
preživljavanje
Kako je do ove teorije došlo?
• 1960.- e godine – Lynn Margulis
tijekom evolucije se dogodilo
nekoliko fundamentalnih tranzicija
kroz kooperaciju različitih dijelova
stanice koje su zajedno stvorile novi
organizam
1. Jedna bakterija apsorbira
drugu koja može koristiti
kisik evolucija u suživot
prva bakterija počinje
svoj razvoj u kisikom
ispunjenom okolišu
preci svih eukariota
- apsorbirana bakterija
evoluira u mitohondrij
2. Rani eukarioti apsorbiraju
novu dugu i spiralnu
bakteriju suživot preci
svih životinjskih stanica, a
apsorbirana spiralna
bakterija evoluirala je u niz
struktrua važnih za
pokretanje životinjske
stanice
3. Životinjska stanica
apsorbira još bakterija
– one kod kojih je
evoluirala sposobnost
fotosinteze preci
svih biljnih stanica
apsorbirane fotosintetske
bakterije – evoluirale su u
strukture zvane plastidi, npr.
kloroplaste
• pod mikroskopom je proučavala amebu i mitohondrije razmnožavaju se dijeleći se na dva jednaka dijela
• zaključak: mitohondriji se ponašaju kao neovisne bakterije
• do jednake teorije znanstvenici su došli još 1880.-ih godina
• tijekom generacija, apsorbirana stanica evoluirala je u organel kao što je mitohondrij
• mitohondriji danas = bakterije nekad
• u to je vrijeme bilo poznato da mnogi organizmi žive u endosimbiozi, npr. termiti
• evolucija u tolikoj mjeri da od dva organizma nastane jedan nemoguće!
• Margulis se počinje baviti pitanjem kršenja Mendelovih zakona prilikom nasljeđivanja
• DNA izvan jezgre? Ne prati jednaka pravila nasljeđivanja koja prati nuklearna DNA?
• istraživanje na eugleni • zaključak: euglena doista ima
DNA unutar kloroplasta, a ne samo u jezgri
• Što DNA radi tamo? Je li ona odgovorna za kršenje Mendelovih zakona?
• kloroplasti – reproduciraju se dijeleći se na dva jednaka dijela, kao i bakterije i mitohondriji
Je li moguće da su i oni nekada bili slobodne bakterije?
• tražeći odgovor na to pitanje, otkrila je da su mnogi znanstvenici došli do zaključaka koji bi imali savršenog smisla ako bi se uzelo u obzir da je eukariotska stanica evoluirala endosimbiozom
Prepreke prihvaćanju endosimbiotske teorije
• 1. Nedostatak dokaza– svaka hipoteza mora biti testirana i višestruko potvrđena raznim
dokazima– i prije Lynn Margulis endosimbiotska hipoteza pokušala se
testirati, ali zbog nedostatka odgovarajuće tehnologije potrebne za dizajniranje doista poštenog testa, odustalo se od testiranja
– to što mitohondriji izgledaju kao bakterije nije dovoljno za prihvaćanje teorije da su to doista jednom i bili
• 2. Nedosljednost s prihvaćenom teorijom
– mnogi su bili skeptični oko endosimbiotske hipoteze jer se činilo da
se ne uklapa u teoriju evolucije na način na koji je u to vrijeme bila
shvaćena
– 1900. – 1950.g. – mnoga ključna otkrića u polju genetike ostvarena
su fokusirajući se na mutacije tijekom reprodukcije stanice
– na te genetičke ”pogreške” gledalo se kao na očito važne mehanizme
evolucije
– mnogi su čak mislili da je kompletna evolucija rezultat akumulacije
malih mutacija tijekom vremena
• 3. Parsimonija
– znanstvenici su skloniji prihvatiti jednostavnija rješenja, a u ovom bi slučaju prihvaćanje učinilo teoriju evolucije kompleksnijom – simbioza bi se trebala inkorporirati kao dodatni evolucijski mehanizam
– staro objašnjenje evolucije potkrijepljeno brojnim dokazima – čemu onda novo?
• 4. Predrasude– 1. Još od Darwina, na evoluciju
se gledalo kao na kompeticiju među organizmima, ali endosimbiotska teorija usmjerila se na kooperaciju
– 2. U to je vrijeme bilo uobičajeno provoditi istraživanja na relativno velikim životinjama, a ne na amebama i bakterijama zbog toga su se ti znanstvenici rijetko susretali s endosimbiozom
– danas – endosimbioza prisutna i kod kompleksnih višestaničnih životinja
Koja je očekivanja generirala endosimbiotska hipoteza?
• dominantna teorija – mitohondriji i slične strukture evoluirali su korak-po-korak od drugih dijelova stanice
• 1. Mitohondriji se razmnožavaju i prenose s roditelja na potomstvo
• 2. Mitohondriji imaju svoj vlastiti genetički materijal
• 3. Mt DNA kodira za svoja vlastita svojstva – ako je ona doista DNA nečega što je nekoć bilo bakterija, za očekivati je da će i ona kodirati za specifična svojstva koja je imala originalna bakterija
• Kearns – Sayre sindrom
• 4. Mitohondriji su sličniji slobodnim bakterijama nego stanici u kojoj se nalaze
• Margulis je zaključila da aerobne bakterije dijele esencijalna svojstva s mitohondrijima sposobnost korištenja kisika za razgradnju molekula
• i jedni i drugi koriste iste biokemijske korake u tom procesu
• nisu samo mitohondriji ti koji su evoluirali zahvaljujući endosimbiozi – tu su još plastidi i tubuli
• “On the origin of mitosing cells”
• kritike – mnogi uznemireni idejom da su vitalne stanične strukture mogle evoluirati putem endosimbioze
• proturječilo joj se po pitanju oblika mt DNA
• kritičari su tvrdili da su bakterijska i mitohondrijska DNA evoluirale od istog ranog oblika kružne DNA, ali su im se putevi razdvojili
• identičan oblik govori samo to da nikada ni jedna ni druga nisu evoluirale dalje od originalnog oblika DNA
Potvrda teorije
• Michael Gray i W. Ford Doolittle bili su zainteresirani za primjenu novih metoda sekvencioniranja u svrhu konačnog rješenja ove debate
• njih je u prvom redu zanimalo je li DNA unutar plastida sličnija bakterijskoj ili nuklearnoj DNA
• zaključak je bio da su sličniji bakterijskoj
• 1983.g. dobivene su genetičke sekvence iz mt DNA
• Zaključak: nevjerojatna sličnost s prvim slobodnim bakterijama koje su koristile kisik
• Endosimbiotska teorija tada službeno postaje afirmirani dio teorije evolucije
Porijeklo čovjeka – analize mt DNA
• stopa mutacije mt DNA 10 je puta veća od nuklearne jer nema mehanizama za popravak
• 2-4% mt DNA mutira jednom u milijun godina usporedba pokazuje veće razlike u mt nego u jezgrinoj DNA
• stopa mutacije mt DNA također pomaže u procjeni vremena divergencije vrsta od zajedničkog pretka
• Zaštićenija je od procesa prirodne selekcije, budući da se vrlo malo ili gotovo ništa ne zna o rekombinaciji, a također pokazuje majčinsko nasljeđivanje
• 1980.-ih počela su istraživanja porijekla modernog čovjeka na osnovu analize mt DNA
• Uzorci su uzeti iz 5 različitih područja: Azija, Afrika, Europa, Australija i Nova Gvineja
• Pretpostavka je bila da je onaj haplotip koji se najviše razlikuje ujedno i najstariji – dovoljno vremena za akumulaciju različitih mutacija
Literatura
• Margulis, Lynn: Cells within cells: An extraordinary claim with extraordinary evidence
• http://learn.genetics.utah.edu/content/cells/organelles/• http://www.genetika.biol.pmf.unizg.hr/pogl18.html