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