Основно съдържание

Биология за напреднали/колеж

Курс: Биология за напреднали/колеж > Раздел 2

Урок 3: Генетика, различна от тази на Мендел

Наследственост на митохондриална и хлоропластна ДНК

Митохондриална и хлоропластна ДНК и защо нейното наследство не следва моделите на Мендел.

Въведение

Ако поискат от теб да назовеш органел, който съдържа ДНК, кой ще е той? Ако кажеш ядрото, определено ще получиш пълен брой точки, но в повечето клетки ядрото не е единственото място, където се съдържа ДНК.

ДНК се съдържа също и в митохондриите, които се срещат в повечето растителни и животински клетки, както и в хлоропластите в растителните клетки. Тук ще проучим как се унаследяват митохондриалната и хлоропластната ДНК.

Митохондриална и хлоропластова ДНК

ДНК молекулите, които се съдържат в митохондриите и хлоропластите, са малки и кръгови, много подобни на ДНК на типична бактерия. Обикновено има много копия ДНК в една митохондрия или хлоропласт.

Изображение, модифицирано от "Митохондриална ДНК," NIH Talking Glossary of Genetic Terms, NHGRI (обществено достояние).

Сходството между ДНК на митохондриите и хлоропластите и ДНК на бактериите е важно доказателство, което подкрепя ендосимбионтната теория, според която митохондриите и хлоропластите в началото са били свободно живеещи прокариотни клетки.

Как се унаследява неядрената ДНК?

Ето някои начини, по които митохондриалната и хлоропластната ДНК се различават от ДНК, срещаща се в ядрото:

Голям брой копия. Една митохондрия или един хлоропласт съдържат множество копия от своята ДНК. В една типична клетка има много митохондрии (или в случая с растителната клетка – хлоропласти). В резултат на това клетките обикновено имат много копия – често хиляди – митохондриална и хлоропластна ДНК.
[Идентични ли са копията в един единствен органел?]
Случайна сегрегация. Митохондриите и хлоропластите (и гените, които те носят) се разпределят случайно към дъщерните клетки по време на митоза и мейоза. Когато клетката се дели, органелите, които са от противоположните страни на делителното вретено, или клетъчната плочка, ще се озоват в различни дъщерни клетки $^{3}$ ‍.
Унаследяване от един родител. Неядрената ДНК често се унаследява от единия родител, което означава, че потомството ще получи ДНК само от мъжкия или само от женския родител, не и от двамата $^{4}$ ‍. При хората, например, децата получават митохондриална ДНК от майка си (но не и от баща си).

Хлоропластова наследственост: Ранни експерименти

В началото на 20-ти век Карл Коренс, немски ботаник, направил поредица генетични експерименти с растения (Mirabilis jalapa). Сега знаем, че работата му демонстрирала как хлоропластната ДНК се предава от клетка на клетка и от родител на поколението – въпреки че самия Коренс не знаел това по онова време

^{5}

Експерименти на Коренс

Растенията Mirabilis, с които Коренс работил, имат три разновидности: чисто зелено, чисто бяло или вариегатно (смесено зелено и бяло). Зелени и бели разклонения може да се проявят при вариегатни растения, но вариегатни разклонения не се появяват при зелени или бели растения

^{6}

Коренс бил любопитен за тази особеност на оцветяването и направил многобройни кръстосвания между растения с различни цветове. Той открил, че

^{6}

Цветът на даващия яйцеклетка клон (женския родител) определял цвета на поколението.
Разклоненията от женския родител, които са изцяло зелени или изцяло бели, произвеждат съответно само изцяло зелено или изцяло бяло поколение.
Клоновете на женския родител, които били вариегатни по цвят, можели да произведат всички три типа поколение, но не и в предвидими съотношения.

Коренс допуснал, че някакъв фактор в цитоплазмата на яйцеклетката трябва да определя цвета на потомството. Всъщност друг немски ботаник, Ървим Баур, предположил, че хлоропластите в цитоплазмата може да пренасят генетичните фактори (гените)

^{5}

Баур сметнал, че при вариегатните растения някои от хлоропластите трябва да имат мутации, които ги правят неспособни да станат зелени (да произведат пигмент). Днес знаем, че тази хипотеза е напълно вярна!

Обясняване на резултатите на Коренс

Как хлоропластното унаследяване прави вариегатните растения разноцветни? Нека проследим една зигота (едноклетъчен ембрион) със смес от хлоропласти, унаследени от яйцеклетката. Някои от хлоропластите са зелени, докато други са бели. Когато зиготата преминава през много цикли на митоза, за да образува ембрион, а после растение, хлоропластите също се делят и се разпределят на случаен принцип към дъщерните клетки при всяко делене.

Основано на подобна диаграма от Griffiths et al. $^{7}$ ‍.

След много клетъчни деления някои клетки получават чист набор нормални хлоропласти, изграждайки зелени части. Други ще получат чист набор нефункционални хлоропласти, изграждайки бели участъци. А трети ще имат смес от нормални и нефункционални хлоропласти, произвеждайки зелени участъци, които могат да дадат начало на чисто зелени или чисто бели участъци

^{7}

Ами майчиният модел на унаследяване? Растенията създават полови клетки късно в развитието си, преобразувайки клетки на върха на клон в произвеждащи гамети клетки. Клон, който е чисто зелен, ще произведе яйцеклетки със зелени хлоропласти, които ще дадат начало на чисто зелено поколение. Подобно, клон, който е чисто бял, ще произведе яйцеклетки, които съдържат само бели хлоропласти, и ще даде начало на чисто бяло поколение.

Ако клонът е с различни цветове, той има смесица от клетки, някои само с функционални хлоропласти, някои само с нефункционални хлоропласти и някои със смес от хлоропласти. Всички три клетъчни вида може да дадат начало на яйцеклетки, водейки до зелено поколение, бяло поколение и разноцветно поколение в непрогнозируеми съотношения

^{6, 7}

Женски клон	Яйцеклетки	Зиготи	Поколение
Разноцветен клон	Яйцеклетка със зелени хлоропласти, яйцеклетка с бели хлоропласти или яйцеклетка със смесени хлоропласти	Яйцеклетка с бели хлоропласти води до зигота с бели хлоропласти; яйцеклетка със зелени хлоропласти води до зигота със зелени хлоропласти; яйцеклетка със смесица от хлоропласти води до зигота със смесица от хлоропласти	Растение с различни цветове

Основано на подобна диаграма от Griffiths et al. $^{7}$ ‍.

Митохондриална наследственост

Митохондриите, подобно на хлоропластите, по принцип се унаследяват само от единия родител (или поне се унаследяват неравно от двамата родителя)

^{4}

. В случая с човека митохондриите в зиготата, или едноклетъчния ембрион, идват от цитоплазмата на яйцеклетката, т.е. изцяло от майката. Сперматозоидите съдържат митохондрии, но те обикновено не се унаследяват от зиготата. Има докладван случай на бащино унаследяване на митохондрии при човек, но това е изключително рядко

^{8}

Наследяване по майчина линия на митохондрии при хората

Понеже при хората митохондриите се унаследяват от майката, те представляват възможност да се проследи наследството по майчина линия (линия на потомство чрез ненарушена верига от женски предшественици).

За да разбереш как митохондриите ти те свързват с майката на майката на майка ти и така нататък, помисли откъде идват митохондриите. Те са били получени от майка ти в цитоплазмата на яйцеклетката, която ти е дала начало. Откъде майка ти е получила своите митохондрии? От нейната майка, тоест, твоята баба по майчина линия

^{9}

Ако продължиш да задаваш този въпрос, можеш да се върнеш назад във времето по семейното си дърво, следвайки предшествениците си по майчина линия и следвайки пътя на предаване на митохондриалната ти ДНК.

_Изображение: "Сравнение на митохондриалната ДНК и ядрената ДНК," by University of California Museum of Paleontology (CC BY-SA 3.0)._

Както е показано на диаграмата по-горе, моделът на унаследяване на митохондриална ДНК е различен от този на ядрената ДНК. Ядрената ДНК на човек е "смесица" от участъци, унаследени от много различни предшественици, докато митохондриалната ДНК на човек се унаследява по една непрекъсната линия женски предшественици

^{9, 10}

Митохондриални мутации и човешки заболявания

Мутациите на митохондриалната ДНК могат да доведат до генетични заболявания у хората. Например големи делеции в митохондриалната ДНК причиняват състояние, наречено синдром на Кеарнс-Сайр. Тези делеции не позволяват на митохондриите да извършват работата си по извличане на енергия. Синдромът на Кеарнс-Сайр може да причини симптоми като слабост на мускулите, включително тези, които контролират клепача и движението на очите, както и дегенерация на ретината и развитие на сърдечно заболяване

^{11, 12}

Генетичните заболявания, причинени от митохондриални мутации, не се предават от бащите на децата, понеже митохондриите биват предоставени само от майката. Те се предават от майките към децата по един от следните начини

^{13}

Човек със заболяване, причинено от митохондриална мутация, може да няма нормални митохондрии (и да има само анормални, мутирали такива). В този случай засегнатата майка винаги ще предаде мутирали митохондрии на децата си.
Митохондриалната разстройство може да се случи, когато човек има смес от нормални и анормални митохондрии в тялото си. В този случай нормални и мутирали митохондрии може случайно да се разпределят в яйцеклетките по време на мейоза. Деца, които получат голяма част мутирали митохондрии, може да имат тежко заболяване, докато тези с няколко мутирали митохондрии може да имат леко заболяване или да нямат такова $^{13}$ ‍.

Изображение, модифицирано от "Mitochondrial," by the National Institutes of Health (обществено достояние).

[Използвани източници]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.