معلومة

23.1 د: تطور الميتوكوندريا - علم الأحياء


الميتوكوندريا هي عضيات منتجة للطاقة يُعتقد أنها كانت ذات يوم نوعًا من بكتيريا ألفا البروتينية التي تعيش بحرية.

أهداف التعلم

  • اشرح العلاقة بين التعايش الداخلي والميتوكوندريا لتطور حقيقيات النوى

النقاط الرئيسية

  • تحتوي الخلايا حقيقية النواة على كميات متفاوتة من الميتوكوندريا ، اعتمادًا على احتياجات الخلايا من الطاقة.
  • تحتوي الميتوكوندريا على العديد من الميزات التي تشير إلى أنها كانت كائنات مستقلة سابقًا ، بما في ذلك الحمض النووي الخاص بها ، والانقسام المستقل عن الخلية ، والخصائص الفيزيائية المشابهة لبكتيريا ألفا البروتينية.
  • انتقلت بعض جينات الميتوكوندريا إلى الجينوم النووي بمرور الوقت ، ومع ذلك احتفظت الميتوكوندريا ببعض المواد الجينية لأسباب غير مفهومة تمامًا.
  • من المحتمل أن يفسر النقل المفترض للجينات من الميتوكوندريا إلى نواة الخلية المضيفة سبب عدم قدرة الميتوكوندريا على البقاء خارج الخلية المضيفة.

الشروط الاساسية

  • كريستا: cristae (المفرد crista) هي المقصورات الداخلية التي شكلها الغشاء الداخلي للميتوكوندريا
  • فجوة عصارية: حجرة كبيرة مملوءة بالغشاء مملوءة بسائل في سيتوبلازم الخلية
  • التعايش الداخلي: عندما يتم أخذ نوع تكافلي داخل السيتوبلازم لنوع تكافلي آخر ويصبح كلاهما تعايشًا داخليًا

العلاقة بين التعايش الداخلي والميتوكوندريا

واحدة من السمات الرئيسية التي تميز بدائيات النوى من حقيقيات النوى هو وجود الميتوكوندريا. تحتوي الخلايا حقيقية النواة على ما يتراوح بين ألف إلى عدة آلاف من الميتوكوندريا ، اعتمادًا على مستوى الخلية لاستهلاك الطاقة. يبلغ طول كل ميتوكوندريا ما بين 1 إلى 10 ميكرومتر وتوجد في الخلية كعضية يمكن أن تكون بيضاوية الشكل على شكل دودة إلى متفرعة بشكل معقد. تنشأ الميتوكوندريا من تقسيم الميتوكوندريا الموجودة. قد يندمجون معًا. يتنقلون داخل الخلية من خلال التفاعلات مع الهيكل الخلوي. ومع ذلك ، لا يمكن للميتوكوندريا البقاء خارج الخلية. مع زيادة كمية الأكسجين في الغلاف الجوي منذ بلايين السنين ومع تطور بدائيات النوى الهوائية الناجحة ، تشير الدلائل إلى أن خلية أسلاف مع بعض التقسيم الغشائي غمرت بدائيات نوى هوائية حرة ، وتحديداً بروتين ألفا ، مما يعطي الخلية المضيفة القدرة على استخدام الأكسجين لإطلاق الطاقة المخزنة في العناصر الغذائية. ألفا بروتوباكتيريا هي مجموعة كبيرة من البكتيريا التي تشمل أنواعًا تكافلية مع النباتات ، وكائنات مرضية يمكن أن تصيب البشر عن طريق القراد ، والعديد من الأنواع التي تعيش بحرية والتي تستخدم الضوء للحصول على الطاقة. عدة خطوط من الأدلة تدعم اشتقاق الميتوكوندريا من هذا الحدث التكافلي الداخلي. تتشكل معظم الميتوكوندريا مثل البكتيريا البروتينية ألفا وتحيط بها غشاءان ، مما قد ينتج عندما يبتلع كائن حي مرتبط بغشاء آخر في فجوة. يشتمل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا على نتوءات كبيرة تسمى cristae تشبه السطح الخارجي المحكم لبكتيريا ألفا البروتينية. المصفوفة والغشاء الداخلي غنيان بالأنزيمات اللازمة للتنفس الهوائي.

تنقسم الميتوكوندريا بشكل مستقل عن طريق عملية تشبه الانشطار الثنائي في بدائيات النوى. على وجه التحديد ، لا تتشكل الميتوكوندريا من جديد بواسطة الخلية حقيقية النواة. تتكاثر داخل الخلية وتتوزع بين خليتين عندما تنقسم الخلايا. لذلك ، على الرغم من اندماج هذه العضيات بشكل كبير في الخلية حقيقية النواة ، إلا أنها لا تزال تتكاثر كما لو كانت كائنات حية مستقلة داخل الخلية. ومع ذلك ، يتزامن تكاثرها مع نشاط الخلية وانقسامها. تمتلك الميتوكوندريا كروموسوم DNA الدائري الخاص بها والذي يتم تثبيته عن طريق التعلق بالغشاء الداخلي ويحمل جينات مشابهة للجينات التي تعبر عنها البكتيريا البروتينية ألفا. تحتوي الميتوكوندريا أيضًا على ريبوسومات خاصة ونقل الحمض النووي الريبي الذي يشبه هذه المكونات في بدائيات النوى. كل هذه الميزات تدعم أن الميتوكوندريا كانت ذات يوم بدائيات نوى حرة.

جينات الميتوكوندريا

الميتوكوندريا التي تقوم بالتنفس الهوائي لها جينوماتها الخاصة ، مع جينات مشابهة لتلك الموجودة في بروتينات ألفا. ومع ذلك ، توجد العديد من جينات بروتينات الجهاز التنفسي في النواة. عند مقارنة هذه الجينات مع تلك الموجودة في الكائنات الحية الأخرى ، يبدو أنها من أصل ألفا بروتيني. بالإضافة إلى ذلك ، في بعض مجموعات حقيقيات النوى ، توجد مثل هذه الجينات في الميتوكوندريا ، بينما في مجموعات أخرى ، توجد في النواة. تم تفسير هذا كدليل على نقل الجينات من كروموسوم التعايش الداخلي إلى جينوم المضيف. ربما يكون فقدان الجينات هذا بسبب التعايش الداخلي هو أحد التفسيرات التي تجعل الميتوكوندريا لا تستطيع العيش بدون مضيف.

على الرغم من انتقال الجينات بين الميتوكوندريا والنواة ، تحتفظ الميتوكوندريا بالكثير من مادتها الجينية المستقلة. أحد التفسيرات المحتملة لاحتفاظ الميتوكوندريا بالسيطرة على بعض الجينات هو أنه قد يكون من الصعب نقل البروتينات الكارهة للماء عبر غشاء الميتوكوندريا وكذلك التأكد من شحنها إلى الموقع الصحيح ، مما يشير إلى أنه يجب إنتاج هذه البروتينات داخل الميتوكوندريا. تفسير آخر محتمل هو أن هناك اختلافات في استخدام الكودون بين النواة والميتوكوندريا ، مما يجعل من الصعب القدرة على نقل الجينات بشكل كامل. التفسير الثالث المحتمل هو أن الميتوكوندريا تحتاج إلى إنتاج مادتها الجينية الخاصة لضمان التحكم الأيضي في الخلايا حقيقية النواة ، مما يشير إلى أن mtDNA يؤثر بشكل مباشر على السلسلة التنفسية وعمليات الاختزال / الأكسدة للميتوكوندريا.


تطور الميتوكوندريا

إذا نظرنا إليها من خلال عدسة الجينوم الذي تحتويه ، فإن الميتوكوندريا هي من أصل جرثومي لا جدال فيه ، نشأت من داخل الشعبة البكتيرية ألفا بروتيوباكتيريا (Alphaproteobacteria). وفقًا لذلك ، فإن فرضية التعايش الداخلي - فكرة أن الميتوكوندريا تطورت من سلف بكتيري عبر التعايش داخل خلية مضيفة حقيقية النواة - قد اتخذت مكانة النظرية. ومع ذلك ، فقد اتخذ تطور جينوم الميتوكوندريا مسارات مختلفة جذريًا في سلالات متنوعة حقيقية النواة ، ويُنظر إلى العضية نفسها بشكل متزايد على أنها فسيفساء وراثية ووظيفية ، مع وجود الجزء الأكبر من بروتين الميتوكوندريا له أصل تطوري خارج البكتيريا ألفا بروتيوبكتريا. تستمر البيانات الجديدة في إعادة تشكيل وجهات نظرنا فيما يتعلق بتطور الميتوكوندريا ، ولا سيما إثارة السؤال عما إذا كانت الميتوكوندريا قد نشأت بعد نشأة الخلية حقيقية النواة ، كما هو مفترض في فرضية التعايش الداخلي الكلاسيكي ، أو ما إذا كانت هذه العضية قد بدأت في نفس الوقت مع الخلية التي تحتويها .


1 إجابة 1

هذا هو أحد أكثر الأسئلة إثارة للاهتمام في تطور حقيقيات النوى. وبقدر ما أعلم وقرأت ، فإن نظرية التولد الذاتي غير مقبولة. هناك بعض المراجعات حول هذا الموضوع. أيضا هناك كتاب رائع لنيك لين عن الميتوكوندريا يسمى قوة الجنس والانتحار. ستكون مهتمًا بقراءته.

لا توجد أدلة كافية للانتقال التطوري من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى مما يشير إلى حد ما إلى أن هذا كان نوعًا من قفزة كمومية. على سبيل المثال:

  • لا توجد سجلات أحافير دقيقة للوسائط التطورية
  • ظهرت جميع ميزات حقيقيات النوى تقريبًا بما في ذلك العضيات والتناغم والنواة وما إلى ذلك في وقت واحد

لذا فإن الإجابة عن كيفية حدوث ذلك بالضبط أمر صعب للغاية.

أما بالنسبة لنظرية التولد الذاتي ، فقد كان من المستحيل على الخلية حقيقية النواة الضخمة (مقدمة الميتوكوندريا) أن تلبي احتياجاتها من الطاقة بدون عضية مثل الميتوكوندريا ، أي أن بدائيات النوى بحجم خلية حقيقية النواة لن تنجو. يمكنك التحقق من هذا المنصب.

هناك خلايا حقيقية النواة تفتقر إلى الميتوكوندريا (على سبيل المثال. المتحولة الحالة للنسج ) أو لديك واحدة ذات وظائف منخفضة. ومع ذلك ، فهذه ليست وسيطة في التطور ولكنها فقدت الوظيفة بطريقة رجعية.

هناك دليل آخر يدعم نظرية التعايش الداخلي: هناك ملاحظة مفادها أن العضيات الأقل عددًا في الخلية قد احتفظت بمزيد من الجينوم مقارنة بتلك التي تحتوي على عضيات ذات أعداد زائدة (مثل البلاستيدات مقابل الميتوكوندريا). هذا يسمى فرضية نافذة التحويل المحدودة وهو ما يجعل من الممكن أن يحدث انتقال العضية إلى الجين النووي بسبب الإصابة العضلية واحتمال تحمل الخلية لواحد أكبر إذا كان هناك عدد أكبر من العضيات.

تقترح هذه المقالة وجهة نظر بديلة مفادها أن البكتيريا المفترسة مثل Bdellovibrio يمكن أن تستقر في مضيف بدائية النواة. هناك حالات أخرى من التعايش الجواني البكتيري في بكتيريا أكبر (أحتاج إلى بعض الوقت لاستخراج المرجع. اقرأها منذ فترة) لكن هؤلاء ليسوا أسلاف حقيقيات النوى.


ملخص المؤلف

الخلايا الجرثومية للثدييات (البويضات والحيوانات المنوية) خالدة بمعنى أنها تنتشر لأجيال متعاقبة. في المقابل ، لا تستمر الخلايا الجسدية في الجيل التالي. ومع ذلك ، لا النباتات ولا الحيوانات القاعدية مثل الإسفنج والشعاب المرجانية لديها خط جرثومي ، فهي تشكل ببساطة أمشاجًا من الخلايا الجذعية في الأنسجة البالغة. أسباب هذه الاختلافات غير معروفة. نحن نطور نموذجًا تطوريًا يُظهر أن الخط الجرثومي قد تطور استجابةً للانتخاب في الميتوكوندريا ، مراكز الخلايا. تحتفظ الميتوكوندريا بجيناتها الخاصة ، والتي تحدث في نسخ متعددة لكل خلية. في النباتات والحيوانات القاعدية ، تتحور جينات الميتوكوندريا ببطء. الفصل على مدار الجولات العديدة لانقسام الخلية لتكوين شخص بالغ يولد تباينًا في الميتوكوندريا الطافرة بين الأمشاج ، وهو ما يكفي للانتقاء الطبيعي لتحسين وظيفة الميتوكوندريا. في الحيوانات الأكثر نشاطًا من الانفجار الكمبري فصاعدًا ، ارتفع معدل طفرة الميتوكوندريا بقوة. هذا يتطلب تطوير خط جرثومي مخصص ، جانبا في وقت مبكر من التنمية ، مع انخفاض المدخلات الطفرية. كما فضلت أيضًا البيض الكبير (بدءًا من آلاف الميتوكوندريا) والإعدام ، بعد الإفراط في الإنتاج (رتق). كلا الجهازين يحافظان على جودة الميتوكوندريا. كان لتطور عزل السلالة الجرثومية عواقب وخيمة ، مما سمح بظهور عمليات تنموية معقدة وأنسجة بالغة يمكن التخلص منها حقًا.

الاقتباس: Radzvilavicius AL، Hadjivasiliou Z، Pomiankowski A، Lane N (2016) اختيار لمحركات جودة الميتوكوندريا تطور السلالة الجرثومية. بلوس بيول 14 (12): e2000410. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2000410

محرر أكاديمي: توماس كيركوود ، جامعة نيوكاسل ، المملكة المتحدة

تم الاستلام: 23 يونيو 2016 وافقت: 29 نوفمبر 2016 نشرت: 20 ديسمبر 2016

حقوق النشر: © 2016 Radzvilavicius et al. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ في أي وسيط ، بشرط ذكر المؤلف والمصدر الأصليين.

توافر البيانات: تم تنفيذ النموذج في GitHub ويمكن الوصول إليه على: https://github.com/ArunasRadzvilavicius/GermlineEvolution جميع ملفات البيانات الأساسية متاحة على: https://github.com/ArunasRadzvilavicius/GermlineEvolution/tree/master/FigureData.

التمويل: EPSRC https://www.epsrc.ac.uk/ (رقم المنحة EP / L504889 / 1). تلقاها ZH. لم يكن للممول أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة. NERC http://www.nerc.ac.uk/ (رقم المنحة NE / G00563X / 1). تلقت من قبل AP. لم يكن للممول أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة. EPSRC https://www.epsrc.ac.uk/ (رقم المنحة EP / F500351 / 1، EP / I017909 / 1، EP / K038656 / 1). تلقت من قبل AP. لم يكن للممول أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة. Leverhulme Turst https://www.leverhulme.ac.uk/ (رقم المنحة RPG-425). تلقته NL. لم يكن للممول أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة. EPSRC https://www.epsrc.ac.uk/ (EP / F500351 / 1). استقبله AR. لم يكن للممول أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة.

تضارب المصالح: وقد أعلن الباحثون إلى أن لا المصالح المتنافسة موجودة.

الاختصارات: ROS ، أنواع الأكسجين التفاعلية ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة فوق البنفسجية


الانتماءات

قسم علم الأحياء ، جامعة بادوا ، بادوفا ، إيطاليا

مارتا جياكوميلو ، أسوين بياكوريل ، كريستينا جليتسو وأمبير لوكا سكورانو

معهد فينيتو للطب الجزيئي ، بادوفا ، إيطاليا

أسوين بياكوريل وكريستينا جليتسو ولوكا سكورانو

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

مساهمات

م. و L.S. تصوَّر ، وكتب معظم المقالات وحررها. A.P. و C.G. كتب الأقسام الفرعية. وافق جميع المؤلفين على المحتوى النهائي.

المؤلف المراسل


التطور العدائي الجنسي للارتباط النووي والميتوكوندريا

أروناس رادزفيلافيسيوس ، قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

إيان جي جونستون ، وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج

وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج

أروناس رادزفيلافيسيوس ، قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

إيان جي جونستون ، وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج

مركز تشارلز بيركنز ، جامعة سيدني ، سيدني ، نيو ساوث ويلز ، أستراليا

أروناس رادزفيلافيسيوس ، قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

إيان جي جونستون ، وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

كلية العلوم البيولوجية ، جامعة موناش ، ملبورن ، فيكتوريا ، أستراليا

قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج

وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج

أروناس رادزفيلافيسيوس ، قسم الرياضيات ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

إيان جي جونستون ، وحدة البيولوجيا الحاسوبية ، جامعة بيرغن ، بيرغن ، النرويج.

الملخص

عبر حقيقيات النوى ، توجد الجينات المشفرة لآلات الطاقة الحيوية في كل من الحمض النووي للميتوكوندريا والنووي ، ويمكن أن يكون عدم التوافق بين الجينومين مدمرًا. غالبًا ما يتم توريث الميتوكوندريا من الأم ، وتتنبأ النظرية بآثار اللياقة البدنية الخاصة بالجنس للتنوع الطفري للميتوكوندريا. ومع ذلك ، فإن الكيفية التي يعمل بها التطور على أنماط الارتباط بين جينومات الميتوكوندريا والجينوم النووي غير مفهومة جيدًا. باستخدام نماذج جينية جديدة للميتوكوندريا ، نظهر أن التفاعل بين الجينات النووية والميتوكوندريا يحافظ على تنوع النمط الفرداني للميتوكوندريا داخل السكان ، ويختار كلا من الفصل المستقل عن الجنس للجينات المتفاعلة مع الميتوكوندريا وللتسرب الأبوي. يمكن لهذه التأثيرات لتطور الارتباط الجيني القضاء على تأثيرات اللياقة البدنية الضارة للذكور للتنوع الطفري لـ mtDNA. مع وراثة الميتوكوندريا الأمومية ، تحافظ الإناث على تطابق شديد بين الميتوكوندريا والنووي ، لكن الذكور تتراكم الطفرات غير المتطابقة بسبب الارتباط الإحصائي الضعيف بين المكونين الجينوميين. يُحسِّن الفصل المستقل عن الجنس لمواقع تفاعل الميتوكوندريا من تطابق الميتو-نووي. في عملية تطورية معادية جنسيًا ، تتطور الأليلات النووية الذكرية لزيادة معدل إعادة التركيب ، بينما تتطور الإناث لقمعها. يمكن أن يتطور التسرب الأبوي للميتوكوندريا كآلية بديلة لتحسين الارتباط النووي بين الميتوكوندريا. يوفر إطار النمذجة الخاص بنا شرحًا تطوريًا للندرة الملحوظة في الجينات المتفاعلة مع الميتوكوندريا على الكروموسومات الجنسية للثدييات وللتسرب الأبوي في الطلائعيات والنباتات والفطريات وبعض الحيوانات.


23.1 د: تطور الميتوكوندريا - علم الأحياء

التعايش الداخلي: لين مارغوليس

افترض مارغوليس وآخرون أن البلاستيدات الخضراء (في الأسفل) تطورت من البكتيريا الزرقاء (في الأعلى).

أثبت التركيب الحديث أنه بمرور الوقت ، يمكن أن يؤدي الانتقاء الطبيعي الذي يعمل على الطفرات إلى توليد تكيفات جديدة وأنواع جديدة. لكن هل هذا يعني أن الأنساب والتكيفات الجديدة فقط تتشكل بالتفرع عن القديم وترث جينات السلالة القديمة؟ أجاب بعض الباحثين بالنفي. أظهر التطوري لين مارغوليس أن حدثًا تنظيميًا كبيرًا في تاريخ الحياة ربما تضمن اندماج سلالتين أو أكثر من خلال التعايش.

الميكروبات التكافلية = خلايا حقيقيات النوى؟
في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، درس مارغوليس (إلى اليسار) بنية الخلايا. الميتوكوندريا ، على سبيل المثال ، هي أجسام متموجة تولد الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي. بالنسبة إلى Margulis ، بدوا بشكل ملحوظ مثل البكتيريا. كانت تعلم أن التشابه قد صُدم العلماء منذ اكتشاف الميتوكوندريا في نهاية القرن التاسع عشر. حتى أن البعض اقترح أن الميتوكوندريا بدأت من البكتيريا التي عاشت في تعايش دائم داخل خلايا الحيوانات والنباتات. كانت هناك أمثلة متوازية في جميع الخلايا النباتية. تمتلك الطحالب والخلايا النباتية مجموعة ثانية من الأجسام التي تستخدمها لإجراء عملية التمثيل الضوئي. تُعرف باسم البلاستيدات الخضراء ، فهي تلتقط طاقة ضوء الشمس الواردة. تقود الطاقة التفاعلات الكيميائية الحيوية بما في ذلك مزيج الماء وثاني أكسيد الكربون لصنع مادة عضوية. تحمل البلاستيدات الخضراء ، مثل الميتوكوندريا ، تشابهًا صارخًا مع البكتيريا. أصبح العلماء مقتنعين بأن البلاستيدات الخضراء (أسفل اليمين) ، مثل الميتوكوندريا ، تطورت من البكتيريا التكافلية رقم 151 على وجه التحديد ، وأنها تنحدر من البكتيريا الزرقاء (أعلى اليمين) ، وهي كائنات صغيرة تسخر الضوء وتكثر في المحيطات والمياه العذبة.


يُعتقد أن الميتوكوندريا قد انحدرت من أقرباء البكتيريا المسببة للتيفوس.

الأدلة الجينية
في سبعينيات القرن الماضي ، طور العلماء أدوات وطرق جديدة لمقارنة الجينات من الأنواع المختلفة. قام فريقان من علماء الأحياء الدقيقة رقم 151 برئاسة كارل ووز ، والآخر بقيادة دبليو فورد دوليتل في جامعة دالهوزي في نوفا سكوتيا & # 151 بدراسة الجينات داخل البلاستيدات الخضراء لبعض أنواع الطحالب. ووجدوا أن جينات البلاستيدات الخضراء تحمل القليل من التشابه مع الجينات الموجودة في نواة الطحالب. اتضح أن الحمض النووي للبلاستيدات الخضراء كان عبارة عن دنا البكتيريا الزرقاء. في غضون ذلك ، يشبه الحمض النووي في الميتوكوندريا ذلك الموجود داخل مجموعة البكتيريا التي تتضمن نوع البكتيريا التي تسبب التيفوس (انظر الصور ، على اليمين). أكد Margulis أن التكافل السابق ساعد في بناء الخلايا ذات النواة. على سبيل المثال ، تم دمج بكتيريا حلزونية الشكل تسمى spirochetes في جميع الكائنات الحية التي تنقسم عن طريق الانقسام. نتج عن ذيول على خلايا مثل الحيوانات المنوية في النهاية. لا يزال معظم الباحثين متشككين في هذا الادعاء.


أصل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

تستند هذه النظرية إلى أوجه التشابه بين البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا مع الخلايا بدائية النواة. تمتلك هذه العضيات المادة الوراثية الخاصة بها (DNA) وكذلك آلية تخليق البروتين. وفقًا لهذه النظرية ، تطورت الخلايا حقيقية النواة من بدائية & # 8220 خلايا حقيقية النواة & # 8221 التي كانت لاهوائية واستخدمت مسار تحلل السكر لتوليد الطاقة.

كانت هذه الخلايا البدائية حقيقية النواة كبيرة الحجم وكانت قادرة على نقل العناصر الغذائية إلى الخلية من البيئة الخارجية من خلال البلعمة.

يُقترح أن تكون الميتوكوندريا قد تطورت من بدائيات النوى البدائية التي يمكن أن تستخدم الأكسجين للتنفس (بدائيات النوى الهوائية) بعد ابتلاعها في الخلايا الأولية حقيقية النواة من خلال عملية البلعمة (الشكل 20.8). يعتبر O2 أصبح استخدام الخلايا بدائية النواة متعايشين مع الخلايا البدائية النواة التي تناولتها.

من المتصور أنه خلال التطور ، فقدت هذه المتعايشات بدائية النواة وظائفها غير الضرورية وتطورت لتصبح الميتوكوندريا الحالية.

اليوم ، يتم ترميز بعض بروتينات الميتوكوندريا بواسطة نواة الخلية ويتم تصنيعها في السيتوبلازم على الريبوسومات السيتوبلازمية ، بينما يتم ترميز العديد من البروتينات الأخرى بواسطة mtDNA ويتم تصنيعها داخل الميتوكوندريا نفسها بالاشتراك مع ريبوسومات الميتوكوندريا.

تم توثيق هجرة الحمض النووي من الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء إلى الحمض النووي النووي ، ويسمى هذا النوع من الحمض النووي بالحمض النووي المختلط. يفسر وجود الحمض النووي المختلط سبب ترميز الجينات النووية لبعض بروتينات الميتوكوندريا ويقترح أيضًا الطريقة التي قد اكتسبت بها النواة هذه القدرة ، كما أنها تدعم نظرية التعايش الداخلي لأصل العضيات.

يُقترح أن تكون البلاستيدات الخضراء قد تطورت من بدائيات النوى القادرة على التمثيل الضوئي (الشكل 20.8). يُعتقد أن بدائيات النوى الضوئية هذه قد تم تناولها من قبل الخلايا البدائية النواة وفي الوقت المناسب تم تأسيس علاقة تكافلية معها.

خلال التطور ، فقدوا وظائفهم غير الضرورية وتطوروا إلى البلاستيدات الخضراء الحالية. لقد تم اقتراح أن البلاستيدات الخضراء لأنواع نباتية مختلفة تحتوي على أصباغ الكلوروفيل المختلفة تطورت من أحداث تكافلية مختلفة.

على سبيل المثال ، يُعتقد أن الطحالب الخضراء الزرقاء التي تحتوي على الكلوروفيل أ و phycobilins قد أصبحت متكافلة في الخلايا الأولية حقيقية النواة التي تطورت إلى طحالب حمراء.

وبالمثل ، فإن بدائيات النوى الافتراضية التي تحتوي على الكلوروفيل أ وج (بدائيات النوى الصفراء) أصبحت متكافلة في الخلايا البدائية حقيقية النواة التي تطورت في النهاية إلى طحالب بنية ، دياتومات ودينوفلاجيلات.

انقرضت بدائيات النوى الصفراء الآن. مجموعة أخرى من بدائيات النوى الافتراضية التي تحتوي على الكلوروفيل أ و ب (بدائيات النوى الخضراء) تم تناولها من قبل الخلايا البدائية حقيقية النواة والتي تطورت لاحقًا إلى طحالب خضراء ونباتات أعلى. كما انقرضت بدائيات النوى الخضراء.

تكمن أسس نظرية التعايش الداخلي في أوجه التشابه بين العضيات (البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا) مع الخلايا بدائية النواة وفي الاختلافات بينها وبين الخلايا حقيقية النواة. تم تلخيص النقاط الرئيسية لأوجه التشابه والاختلاف هذه في الجدول 20.6.

2. مباشر نظرية البنوة:

وفقًا لهذه النظرية ، لم تتطور البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا من الخلايا بدائية النواة التي تم تناولها من الخارج ولكن يُعتقد أنها تطورت داخل الخلايا البدائية & # 8220 خلايا حقيقية النواة & # 8221. هو - هي يُقترح أن الحويصلات السيتوبلازمية قد تشكلت عن طريق غزو أغشية البلازما للخلايا الأولية النواة.

تحتوي هذه الحويصلات السيتوبلازمية أيضًا على بعض المواد الجينية (DNA) وتطورت تدريجيًا إلى عضيات اليوم. لتطور الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء ، تم اقتراح ثلاثة نماذج.

(1) نموذج راف وماهلر:

في الخلية البدائية حقيقية النواة ، احتوى غشاء البلازما على آليات الجهاز التنفسي لنقل الإلكترون والفسفرة التأكسدية. تم غزو غشاء البلازما لينتج حويصلات سيتوبلازمية حرة تطوق المسار التنفسي والخيوط. في وقت لاحق اكتسبت شظايا بلازميد أو كروموسومات إضافية من الحمض النووي.

احتوى هذا الحمض النووي على جينات لتشفير الحمض النووي الريبي ، والرنا الريباسي ، والرنا المرسال للبروتينات الكارهة للماء في الغشاء التنفسي.

(2) نموذج كافاليير سميث:

هذا نموذج عام يشير إلى أصل الميتوكوندريا ، والبلاستيدات الخضراء ، والنواة ، ومركب جولجي ، والليزوزومات وما إلى ذلك وفقًا لهذا النموذج ، فإن عملية التبرعم والانصهار لغشاء البلازما (عملية الالتقام الخلوي) تحتوي على جزء إضافي من الحمض النووي الصبغي والخلقي (أو البلازميد) .

تطورت بعض هذه الهياكل لتصبح ميتوكوندريا ، بينما تطور البعض الآخر ليصبح بلاستيدات خضراء ، ويعتقد أن عملية مماثلة تشارك في تكوين الغشاء النووي الذي يحيط بالكروموسومات لإنتاج النواة.

(3) نموذج Reijnders:

وفقًا لهذا النموذج ، تم تكرار الحمض النووي للخلية البدائية حقيقية النواة وتم إحاطة نسختين من الحمض النووي بأغشية منفصلة لإنشاء مقصورات منفصلة. تم التخلص من جزء كبير من الحمض النووي لمقصورة واحدة ولم يتبق سوى ذلك الجزء الذي كان ضروريًا لوظيفة الميتوكوندريا ، تطورت هذه المقصورة في النهاية إلى ميتوكوندريا.

لم يكن هناك فقدان للحمض النووي من الحيز الآخر وتطور أخيرًا إلى النواة. من المفترض أن تطور البلاستيدات الخضراء قد حدث من خلال عملية مماثلة.


الحمض النووي للميتوكوندريا في التطور والمرض

تحتوي العضيات الخلوية التي تسمى الميتوكوندريا على الحمض النووي الخاص بها. اكتشاف أن الاختلاف في الحمض النووي للميتوكوندريا يغير علم وظائف الأعضاء وعمر الفئران له آثار على علم الأحياء التطوري وأصول المرض. انظر الرسالة ص 561

يشفر الحمض النووي الموروث من الأم والموجود في العضيات السيتوبلازمية المسماة الميتوكوندريا البروتينات المركزية المشاركة في إنتاج الطاقة - الوظيفة الرئيسية لهذه العضية. ومع ذلك ، فقد تم افتراض أن التباين العالي بشكل غير عادي في تسلسل الحمض النووي للميتوكوندريا ليس له نتيجة تذكر. في الصفحة 561 ، Latorre-Pellicer وآخرون. 1 تبديد هذه الفكرة الخاطئة.

قام المؤلفون بنقل الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) من سلالة الفئران المسماة NZB إلى خلفية الحمض النووي (nDNA) لسلالة أخرى ، C57BL / 6 ، ثم قارنوا C57BL / 6 الفئران التي تأوي NZB أو C57BL / 6 mtDNA. يختلف تسلسل mtDNA في المتغيرات الجينية التي تمنح 12 بديلاً للأحماض الأمينية و 12 تغييرًا في جزيئات الحمض النووي الريبي المتضمنة في تخليق بروتين الميتوكوندريا. كشفت مقارنة الفئران طوال حياتها عن اختلافات كبيرة في وظيفة الميتوكوندريا ، وإشارات الأنسولين ، والسمنة وطول العمر. توضح هذه الدراسات 2،3 ذات الصلة بوضوح أن تباين mtDNA الذي يحدث بشكل طبيعي ليس محايدًا ، وأن التفاعل بين متغيرات تسلسل mtDNA و nDNA يمكن أن يكون له تأثيرات عميقة على بيولوجيا الثدييات.

لماذا يجب أن يكون هذا من المصلحة العامة؟ اتضح أن مقدار التباين بين NZB و C57BL / 6 mtDNAs هو تقريبًا نفس المقدار بين اثنين من mtDNAs البشريين غير المرتبطين ، لذا فإن تباين mtDNA وتأثيره على التعبير الجيني لـ nDNA مناسب أيضًا للأشخاص.

يمكن أن تتطور متواليات الفئران و mtDNA البشري فقط عن طريق التراكم التسلسلي للطفرات على طول سلالات الأمهات المشعة. بالنسبة للبشر ، نشأت الطفرات الوظيفية عندما هاجرت النساء من إفريقيا لاستعمار بقية العالم ، مما أدى إلى تعديل التمثيل الغذائي للطاقة الخلوية والسماح لأسلافنا بالتكيف مع التحديات البيئية الإقليمية الجديدة. أصبحت أنواع mtDNA (الأنماط الفردانية) التي اكتسبت هذه الطفرات المفيدة بيئيًا منتشرة في بيئاتها الخاصة لتؤدي إلى ظهور مجموعات إقليمية من الأنماط الفردانية ذات الصلة ، تسمى مجموعات الفرد. يفسر هذا الاختيار الإقليمي لماذا ، من بين جميع سلالات mtDNA التي تطورت في إفريقيا على مدار المائة ألف عام الأولى من تاريخ البشرية ، غادر اثنان فقط من mtDNA (يطلق عليهما M و N) إفريقيا بنجاح منذ 65000 عام لاستعمار بقية العالم. كما يفسر سبب استعمار N mtDNAs فقط لأوروبا ، في حين استعمرت كل من M و N آسيا ، ولماذا استعمرت خمسة فقط mtDNAs الأمريكتين (راجع المرجع 4). نظرًا لأن تنوع mtDNA البشري قد تطور من mtDNA واحد ، فإن تباين mtDNA الوظيفي الذي يسمح بعزل السكان الإقليمي قد يساهم أيضًا في الانتواع 4. ومن ثم ، فإن مجموعات هابلوغرام mtDNA أساسية لبيولوجيا كل من الفئران والرجال.

نظرًا لأن الميتوكوندريا لها دور في الطاقة الحيوية ، فمن المنطقي أن يؤثر تباين mtDNA على علم وظائف الأعضاء وقدرتنا على التكيف مع التغير البيئي. يمكن أن يسمح التباين في جينات mtDNA بالتكيف مع أنظمة غذائية جديدة أو التكيف مع الإجهاد الحراري ومتطلبات النشاط ، ويمكن أن يغير حتى تنظيم موت الخلايا 4. تؤكد العلاقة بين تباين mtDNA البشري أو الفأري ومجموعة واسعة من السمات ، بما في ذلك طول العمر ، والقدرة البدنية ، والاستعداد لمجموعة واسعة من الأمراض الاستقلابية والتنكسية وأشكال السرطان 4،5 ، الأهمية الوظيفية لتباين mtDNA .

يتأثر التعبير الجيني النووي أيضًا باختلاف mtDNA ، نظرًا لدور نظام إنتاج طاقة الميتوكوندريا في تعديل مستويات الجزيئات عالية الطاقة المتولدة من خلال التمثيل الغذائي للميتوكوندريا. تعمل منتجات التمثيل الغذائي للميتوكوندريا عالية الطاقة ، مثل جزيئات ATP و acetylCoA و α-ketoglutarate ، على تعديل بروتينات الإشارات السيتوبلازمية وإضافة تعديلات جزيئية إلى البروتينات النووية ، والتي تشكل ، جنبًا إلى جنب مع تعديلات nDNA ، الإبيجينوم. التغييرات في الإشارات الخلوية والإبيجينوم تنظم التعبير الجيني للـ nDNA. هذا الاقتران بين الميتوكوندريا والنواة أمر بالغ الأهمية لأنه لا يمكن لأي وظيفة خلوية أن تستمر بدون طاقة كافية. يجب أن "تعرف" النواة أن الميتوكوندريا يمكن أن تولد الطاقة المطلوبة قبل الشروع في نسخ ونسخ الحمض النووي ، على سبيل المثال.

ساعدت دراسة الخلايا التي لها نفس النواة ولكن بمستويات مختلفة من طفرة mtDNA المسببة للأمراض - تغيير في جزيء RNA حيث يكون النيوكليوتيد 3243 غوانين (3243G) بدلاً من الأدينين الطبيعي - في تحديد طبيعة تفاعلات mtDNA و nDNA. تحتوي كل خلية على مئات من نسخ mtDNA ، لذلك يمكن أن توجد كل من mtDNAs الطافرة والطبيعية في الخلية بنسب مختلفة ، وهي حالة تعرف باسم heteroplasmy. عندما تكون الطفرة 3243G موجودة بتواتر 10-30٪ ، يمكن للمرضى أن يظهروا داء السكري ، أو في حالات نادرة التوحد بنسبة 50-90٪ ، تظهر الطفرة على أنها مشاكل عصبية ، قلبية وعضلية ، وبنسبة 100٪ ، يمكن أن تحدث. في أمراض الطفولة والموت. كشفت دراسة 6 عن التعبير الجيني النووي في خطوط الخلايا التي تحتوي على نسب مختلفة من الطفرة 3243G أن كل فئة من هذه الفئات السريرية من الجينات المتغايرة مرتبطة بملف تعريف التعبير الجيني النووي المتميز. عند البشر ، كما هو الحال في فئران لاتوري-بيليسر وزملائه ، يمكن أن يكون للتغيرات الطفيفة في وظيفة الميتوكوندريا الناتجة عن تباين mtDNA تأثيرات عميقة على التعبير الجيني النووي ، وعلم وظائف الأعضاء الخلوي وصحة الفرد.

إن الميراث أحادي الوالدين لـ mtDNA يكاد يكون عالميًا بين الحيوانات ، كما أن سلالات mtDNA مختلفة وظيفيًا ، لذلك يمكن توقع أن خلط نمطين مختلفين من mtDNA بشكل مصطنع في نفس الخلية يمكن أن يكون ضارًا. تمشيا مع هذا التوقع ، ينتج عن خلط NZB mtDNAs مع mtDNAs من سلالة تسمى 129 (التي يشبه mtDNA تلك الموجودة في C57BL / 6) في الفئران C57BL / 6 الفئران التي تعاني من نقص النشاط ، وفرط الانفعال ، ولها تأثير شديد على المدى الطويل عيوب الذاكرة 7. وبالتالي ، يمكن أن يكون الوراثة ثنائية الوالدين لمختلف mtDNAs ضارة ، وتختلف NZB و 129 – C57BL / 6 mtDNAs وظيفيًا.

نظرًا لأن تباين هابلوغروب mtDNA قد تم تشكيله عن طريق الانتقاء البيئي ، فإن ذلك يعني أن الميتوكوندريا قد تكون مستشعرات رئيسية للتغيرات البيئية. بفضل فهمنا المتزايد للأدوار التنظيمية العديدة للميتوكوندريا ، بدأت تظهر صورة شاملة لبيولوجيا الخلية (الشكل 1). في هذا السيناريو ، ستؤثر التغييرات في البيئة على الطاقة الحيوية للميتوكوندريا وتغير إنتاج جزيئات الميتوكوندريا عالية الطاقة. تؤدي التركيزات المتغيرة لجزيئات الميتوكوندريا إلى التعديل الكيميائي للإشارات السيتوبلازمية والبروتينات اللاجينومية ، وإعادة برمجة التعبير الجيني لـ nDNA. ثم تتغذى حالة التعبير الجيني المعدلة للـ nDNA لتعديل التعبير الجيني للميتوكوندريا وإعادة تأسيس التوازن النشط والصحة. ومع ذلك ، إذا كانت التغيرات البيئية المحلية شديدة للغاية بحيث لا يمكن إدارتها من خلال الحالة الفسيولوجية المحددة لمجموعة الحمض النووي المتقدري للفرد ، أو إذا كانت الطفرات الضارة الأخيرة في الحمض النووي الريبي مسببة للأمراض ، فقد يفشل نظام التوازن المرتد ، مما يؤدي إلى التدهور التدريجي للطاقة والمرض وفي النهاية الموت.

لاتوري بيليسر وآخرون. أشار 1 إلى أن نقل الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) من سلالة فأر إلى أخرى له تأثيرات واضحة على علم الأحياء ، مما يدل على أن التباين الجيني للميتوكوندريا ليس محايدًا وأن التفاعلات النووية بين الميتوكوندريا لها أهمية مركزية في فسيولوجيا الثدييات. تتأثر وظيفة الميتوكوندريا بشكل مباشر بالتغيرات البيئية ، لذلك يجب أن يكون للميتوكوندريا دور مركزي في التوسط بين الاضطرابات البيئية والاستجابات الجينية. تعدل الجزيئات عالية الطاقة التي تنتجها الميتوكوندريا بروتينات التأشير السيتوبلازمية والبروتينات اللاجينومية التي تنظم تعبير الحمض النووي (DNA). تؤدي هذه التغييرات إلى إعادة برمجة التعبير الجيني ، وتغيير التعبير عن البروتينات المشتقة من nDNA و mtDNA التي تعمل في الميتوكوندريا وعلى الميتوكوندريا - تتغذى هذه التغييرات مرة أخرى على وظيفة الميتوكوندريا. إذا أمكن إعادة تأسيس التوازن النشط ، يتم الحفاظ على الصحة وطول العمر. ومع ذلك ، إذا كانت التغيرات الجينية أو البيئية شديدة للغاية ، فإن إنتاج الطاقة ينخفض ​​، مما يؤدي إلى المرض وحتى الموت.

Latorre-Pellicer and colleagues' study provides direct evidence that naturally occurring mtDNA variation is fundamental to an individual's characteristics and health. This information supports a model whereby mitochondrial physiological states determined by mtDNA variation sense environmental perturbations and send the appropriate signals to the nucleus to produce the optimal gene-expression response. Footnote 1


Acin-Perez, R., Fernandez-Silva, P., Peleato, M. L., Perez-Martos, A., and Enriquez, J. A. (2008). Respiratory active mitochondrial supercomplexes. مول. زنزانة 32, 529�. doi: 10.1016/j.molcel.2008.10.021

Alirol, E., and Martinou, J. C. (2006). Mitochondria and cancer: is there a morphological connection? الأورام 25, 4706�. doi: 10.1038/sj.onc.1209600

Bachmair, A., Finley, D., and Varshavsky, A. (1986). في الجسم الحي half-life of a protein is a function of its amino-terminal residue. علم 234, 179�. doi: 10.1126/science.3018930

Balzi, E., Choder, M., Chen, W. N., Varshavsky, A., and Goffeau, A. (1990). Cloning and functional analysis of the arginyl-tRNA-protein transferase gene ATE1 of خميرة الخميرة. J. بيول. تشيم. 265, 7464�.

Barrientos, A., Fontanesi, F., and Diaz, F. (2009). Evaluation of the mitochondrial respiratory chain and oxidative phosphorylation system using polarography and spectrophotometric enzyme assays. بالعملة. بروتوك. همم. جينيه. 63, 19.3.1�.3.14. doi: 10.1002/0471142905.hg1903s63

Barrientos, A., Korr, D., and Tzagoloff, A. (2002). Shy1p is necessary for full expression of mitochondrial COX1 in the yeast model of Leigh's syndrome. EMBO J. 21, 43�. doi: 10.1093/emboj/21.1.43

Birnbaum, M. D., Zhao, N., Moorthy, B. T., Patel, D. M., Kryvenko, O. N., Heidman, L., et al. (2019). Reduced arginyltransferase 1 is a driver and a potential prognostic indicator of prostate cancer metastasis. الأورام 38, 838�. doi: 10.1038/s41388-018-0462-2

Bock, R. (2017). Witnessing genome evolution: experimental reconstruction of endosymbiotic and horizontal gene transfer. Annu. القس جينيه. 51, 1�. doi: 10.1146/annurev-genet-120215-035329

Bongiovanni, G., Fissolo, S., Barra, H. S., and Hallak, M. E. (1999). Posttranslational arginylation of soluble rat brain proteins after whole body hyperthermia. J. نيوروسسي. الدقة. 56, 85�.

Brower, C. S., and Varshavsky, A. (2009). Ablation of arginylation in the mouse N-end rule pathway: loss of fat, higher metabolic rate, damaged spermatogenesis, neurological perturbations. بلوس واحد 4:e7757. doi: 10.1371/journal.pone.0007757

Buffet, A., Burnichon, N., Favier, J., and Gimenez-Roqueplo, A. (2020). An overview of 20 years of genetic studies in pheochromocytoma and paraganglioma. أفضل الممارسات. الدقة. كلين. إندوكرينول. Metab. 34:101416. doi: 10.1016/j.beem.2020.101416

Carpio, M. A., Decca, M. B., Lopez Sambrooks, C., Durand, E. S., Montich, G. G., and Hallak, M. E. (2013). Calreticulin-dimerization induced by post-translational arginylation is critical for stress granules scaffolding. كثافة العمليات J. Biochem. Cell Biol. 45, 1223�. doi: 10.1016/j.biocel.2013.03.017

Carpio, M. A., Lopez Sambrooks, C., Durand, E. S., and Hallak, M. E. (2010). The arginylation-dependent association of calreticulin with stress granules is regulated by calcium. بيوتشيم. ي. 429, 63�. doi: 10.1042/BJ20091953

Clemente, P., Peralta, S., Cruz-Bermudez, A., Echevarria, L., Fontanesi, F., Barrientos, A., et al. (2013). hCOA3 stabilizes cytochrome C oxidase 1 (COX1) and promotes cytochrome C oxidase assembly in human mitochondria. J. بيول. تشيم. 288, 8321�. doi: 10.1074/jbc.M112.422220

Decca, M. B., Carpio, M. A., Bosc, C., Galiano, M. R., Job, D., Andrieux, A., et al. (2007). Post-translational arginylation of calreticulin: a new isospecies of calreticulin component of stress granules. J. بيول. تشيم. 282, 8237�. doi: 10.1074/jbc.M608559200

Deka, K., Singh, A., Chakraborty, S., Mukhopadhyay, R., and Saha, S. (2016). Protein arginylation regulates cellular stress response by stabilizing HSP70 and HSP40 transcripts. Cell Death Discov. 2:16074. doi: 10.1038/cddiscovery.2016.74

Fernandez-Vizarra, E., Ferrin, G., Perez-Martos, A., Fernandez-Silva, Z. M., and Enriquez, J. A. (2010). Isolation of mitochondria for biogenetical studies: an update. Mitochondrion 10, 253�. doi: 10.1016/j.mito.2009.12.148

Gogvadze, V., Orrenius, S., and Zhivotovsky, B. (2008). Mitochondria in cancer cells: what is so special about them? Trends Cell Biol. 18, 165�. doi: 10.1016/j.tcb.2008.01.006

Graciet, E., Hu, R. G., Piatkov, K., Rhee, J. H., Schwarz, E. M., and Varshavsky, A. (2006). Aminoacyl-transferases and the N-end rule pathway of prokaryotic/eukaryotic specificity in a human pathogen. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 103, 3078�. doi: 10.1073/pnas.0511224103

Hu, R. G., Brower, C. S., Wang, H., Davydov, I. V., Sheng, J., Zhou, J., et al. (2006). Arginyltransferase, its specificity, putative substrates, bidirectional promoter, splicing-derived isoforms. J. بيول. تشيم. 281, 32559�. doi: 10.1074/jbc.M604355200

Hu, R. G., Sheng, J., Qi, X., Xu, Z., Takahashi, T. T., and Varshavsky, A. (2005). The N-end rule pathway as a nitric oxide sensor controlling the levels of multiple regulators. طبيعة سجية 437, 981�. doi: 10.1038/nature04027

Ingoglia, N. A., Ramanathan, M., Zhang, N., Tzeng, B., Mathur, G., Opuni, K., et al. (2000). What is the signal for the posttranslational arginylation of proteins? Neurochem. الدقة. 25, 51�. doi: 10.1023/A:1007535331560

Jack, D. L., Chakraborty, G., and Ingoglia, N. A. (1992). Ubiquitin is associated with aggregates of arginine modified proteins in injured nerves. Neuroreport 3, 47�. doi: 10.1097/00001756-199201000-00012

Janeway, C. A. Jr., and Medzhitov, R. (2002). Innate immune recognition. Annu. Rev. Immunol. 20, 197�. doi: 10.1146/annurev.immunol.20.083001.084359

Kim, H. J., Kim, S. Y., Kim, D. H., Park, J. S., Jeong, S. H., Choi, Y. W., et al. (2020). Crosstalk between HSPA5 arginylation and sequential ubiquitination leads to AKT degradation through autophagy flux. الالتهام الذاتي 2020, 1�. doi: 10.1080/15548627.2020.1740529

Kumar, A., Birnbaum, M. D., Patel, D. M., Morgan, W. M., Singh, J., Barrientos, A., et al. (2016). Posttranslational arginylation enzyme Ate1 affects DNA mutagenesis by regulating stress response. Cell Death Dis. 7:e2378. doi: 10.1038/cddis.2016.284

Kumar, A., Tikoo, S., Maity, S., Sengupta, S., Kaur, A., and Bachhawat, A. K. (2012). Mammalian proapoptotic factor ChaC1 and its homologues function as gamma-glutamyl cyclotransferases acting specifically on glutathione. EMBO Rep. 13, 1095�. doi: 10.1038/embor.2012.156

Kurosaka, S., Leu, N. A., Pavlov, I., Han, X., Ribeiro, P. A., Xu, T., et al. (2012). Arginylation regulates myofibrils to maintain heart function and prevent dilated cardiomyopathy. جيه مول. زنزانة. Cardiol. 53, 333�. doi: 10.1016/j.yjmcc.2012.05.007

Kurosaka, S., Leu, N. A., Zhang, F., Bunte, R., Saha, S., Wang, J., et al. (2010). Arginylation-dependent neural crest cell migration is essential for mouse development. PLoS Genet. 6:e1000878. doi: 10.1371/journal.pgen.1000878

Kwon, Y. T., Kashina, A. S., Davydov, I. V., Hu, R. G., An, J. Y., Seo, J. W., et al. (2002). An essential role of N-terminal arginylation in cardiovascular development. علم 297, 96�. doi: 10.1126/science.1069531

Leu, N. A., Kurosaka, S., and Kashina, A. (2009). Conditional Tek promoter-driven deletion of arginyltransferase in the germ line causes defects in gametogenesis and early embryonic lethality in mice. بلوس واحد 4:e7734. doi: 10.1371/journal.pone.0007734

Lopez Sambrooks, C., Carpio, M. A., and Hallak, M. E. (2012). Arginylated calreticulin at plasma membrane increases susceptibility of cells to apoptosis. J. بيول. تشيم. 287, 22043�. doi: 10.1074/jbc.M111.338335

Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., and Randall, R. J. (1951). Protein measurement with the Folin phenol reagent. J. بيول. تشيم. 193, 265�.

Luo, D., Chakraborty, G., and Ingoglia, N. A. (1990). Post-translational modification of proteins by arginine and lysine following crush injury and during regeneration of rat sciatic nerves. Restor. نيورول. Neurosci. 2, 53�. doi: 10.3233/RNN-1990-2201

Majmundar, A. J., Wong, W. J., and Simon, M. C. (2010). Hypoxia-inducible factors and the response to hypoxic stress. مول. زنزانة 40, 294�. doi: 10.1016/j.molcel.2010.09.022

Mills, E., and O'Neill, L. A. (2014). Succinate: a metabolic signal in inflammation. Trends Cell Biol. 24, 313�. doi: 10.1016/j.tcb.2013.11.008

Nicholls, D. G., and Ward, M. W. (2000). Mitochondrial membrane potential and neuronal glutamate excitotoxicity: mortality and millivolts. Trends Neurosci. 23, 166�. doi: 10.1016/S0166-2236(99)01534-9

Ocampo, A., Liu, J., Schroeder, E. A., Shadel, G. S., and Barrientos, A. (2012). Mitochondrial respiratory thresholds regulate yeast chronological life span and its extension by caloric restriction. Cell Metab. 16, 55�. doi: 10.1016/j.cmet.2012.05.013

Pearce, E. L., and Pearce, E. J. (2013). Metabolic pathways in immune cell activation and quiescence. حصانة 38, 633�. doi: 10.1016/j.immuni.2013.04.005

Rai, R., Colavita, K., Leu, N. A., Kurosaka, S., Kumar, A., Birnbaum, M. D., et al. (2015). Arginyltransferase suppresses cell tumorigenic potential and inversely correlates with metastases in human cancers. الأورام 35, 4058�. doi: 10.1038/onc.2015.473

Rai, R., and Kashina, A. (2005). Identification of mammalian arginyltransferases that modify a specific subset of protein substrates. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 102, 10123�. doi: 10.1073/pnas.0504500102

Rai, R., Mushegian, A., Makarova, K., and Kashina, A. (2006). Molecular dissection of arginyltransferases guided by similarity to bacterial peptidoglycan synthases. EMBO Rep. 7, 800�. doi: 10.1038/sj.embor.7400747

Saha, S., and Kashina, A. (2011). Posttranslational arginylation as a global biological regulator. ديف. بيول. 58, 1𠄸. doi: 10.1016/j.ydbio.2011.06.043

Shyne-Athwal, S., Chakraborty, G., Gage, E., and Ingoglia, N. A. (1988). Comparison of posttranslational protein modification by amino acid addition after crush injury to sciatic and optic nerves of rats. إكسب. Neurol. 99, 281�. doi: 10.1016/0014-4886(88)90148-3

Tannahill, G. M., Curtis, A. M., Adamik, J., Palsson-McDermott, E. M., McGettrick, A. F., Goel, G., et al. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1 beta through HIF-1 alpha. طبيعة سجية 496, 238�. doi: 10.1038/nature11986

Tasaki, T., Sriram, S. M., Park, K. S., and Kwon, Y. T. (2012). The N-end rule pathway. Annu. Rev. Biochem. 81, 261�. doi: 10.1146/annurev-biochem-051710-093308

Tran, Q., Lee, H., Park, J., Kim, S. H., and Park, J. (2016). Targeting cancer metabolism - revisiting the warburg effects. Toxicol Res. 32, 177�. doi: 10.5487/TR.2016.32.3.177

Van Vranken, J. G., Na, U., Winge, D. R., and Rutter, J. (2015). Protein-mediated assembly of succinate dehydrogenase and its cofactors. كريت. القس Biochem. مول. بيول. 50, 168�. doi: 10.3109/10409238.2014.990556

Varshavsky, A. (2011). The N-end rule pathway and regulation by proteolysis. علوم البروتين. 20, 1298�. doi: 10.1002/pro.666

Viale, A., Corti, D., and Draetta, G. F. (2015). Tumors and mitochondrial respiration: a neglected connection. Cancer Res. 75, 3685�. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-15-0491

Wang, J., Han, X., Saha, S., Xu, T., Rai, R., Zhang, F., et al. (2011). Arginyltransferase is an ATP-independent self-regulating enzyme that forms distinct functional complexes في الجسم الحي. تشيم. بيول. 18, 121�. doi: 10.1016/j.chembiol.2010.10.016

Wang, J., Pavlyk, I., Vedula, S. S., Leu, N. A., Dong, D. W., and Kashina, A. (2017). Arginyltransferase ATE1 is targeted to the neuronal growth cones and regulates neurite outgrowth during brain development. ديف. بيول. 430, 41�. doi: 10.1016/j.ydbio.2017.08.027

Wang, Y. M., and Ingoglia, N. A. (1997). N-terminal arginylation of sciatic nerve and brain proteins following injury. Neurochem. الدقة. 22, 1453�. doi: 10.1023/A:1021998227237

Wiley, D. J., D'Urso, G., and Zhang, F. L. (2020). Posttranslational arginylation enzyme arginyltransferase1 shows genetic interactions with specific cellular pathways في الجسم الحي. أمام. Physiol. 11:427. doi: 10.3389/fphys.2020.00427

Williams, T. A., Foster, P. G., Cox, C. J., and Embley, T. M. (2013). An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. طبيعة سجية 504, 231�. doi: 10.1038/nature12779

Xu, N. S., Chakraborty, G., Hassankhani, A., and Ingoglia, N. A. (1993). N-terminal arginylation of proteins in explants of injured sciatic nerves and embryonic brains of rats. Neurochem. الدقة. 18, 1117�. doi: 10.1007/BF00978361

Zhang, F., Patel, D. M., Colavita, K., Rodionova, I., Buckley, B., Scott, D. A., et al. (2015). Arginylation regulates purine nucleotide biosynthesis by enhancing the activity of phosphoribosyl pyrophosphate synthase. نات. كومون. 6:7517. doi: 10.1038/ncomms8517

Zhang, F., Saha, S., and Kashina, A. (2012). Arginylation-dependent regulation of a proteolytic product of talin is essential for cell-cell adhesion. J. Cell Biol. 197, 819�. doi: 10.1083/jcb.201112129

Zhong, Q., Gao, W. H., Du, F. H., and Wang, X. D. (2005). Mule/ARF-BP1, a BH3-only E3 ubiquitin ligase, catalyzes the polyubiquitination of Mcl-1 and regulates apoptosis. زنزانة 121, 1085�. doi: 10.1016/j.cell.2005.06.009

Keywords: arginylation, arginyltransferase, mitochondria, biogenesis, respiration, respiratory chain complexes

Citation: Jiang C, Moorthy BT, Patel DM, Kumar A, Morgan WM, Alfonso B, Huang J, Lampidis TJ, Isom DG, Barrientos A, Fontanesi F and Zhang F (2020) Regulation of Mitochondrial Respiratory Chain Complex Levels, Organization, and Function by Arginyltransferase 1. أمام. تطوير الخلية. بيول. 8:603688. doi: 10.3389/fcell.2020.603688

Received: 07 September 2020 Accepted: 23 November 2020
Published: 21 December 2020.

Cesare Indiveri, University of Calabria, Italy

Brijesh Kumar Singh, Duke-NUS Medical School, Singapore
Steven Michael Claypool, Johns Hopkins University, United States

Copyright © 2020 Jiang, Moorthy, Patel, Kumar, Morgan, Alfonso, Huang, Lampidis, Isom, Barrientos, Fontanesi and Zhang. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. لا يُسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يتوافق مع هذه الشروط.

† Present address: Chunhua Jiang, Pharmacology Center, Zhongqi Pharmaceutical Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd., China Shijiazhuang Pharmaceutical Company, Shijiazhuang, China
Devang M. Patel, Department of Diabetes, Monash University, Melbourne, VIC, Australia
Akhilesh Kumar, Department of Botany, Banaras Hindu University, Varanasi, India


شاهد الفيديو: #7 Mitochondria الميتوكوندريا. Biology (كانون الثاني 2022).