माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए

From LTRC
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माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए माइटोकॉन्ड्रिया के अंदर पाया जाने वाला छोटा वृत्ताकार गुणसूत्र (circular chromosome) है। अधिकांश यूकेरियोटिक कोशिकाओं में पाए जाने वाले ये कोशिकांग (organelles), कोशिका के पावरहाउस होते हैं।[1] माइटोकॉन्ड्रिया, और इस प्रकार माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए, विशेष रूप से माता से अंडे की कोशिका (egg cell) के माध्यम से संतान में स्थानांतरित होते हैं।
File:Mitochondrial DNA 3D.webm
मानव कोशिकाओं में माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की स्थिति का चित्रण
File:Electron microscopy reveals mitochondrial DNA in discrete foci.jpg
इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए को अलग-अलग केंद्रों में दिखाती है। बार: 200 एनएम। (A) एंटी-डीएनए के साथ इम्युनोगोल्ड लेबलिंग के बाद साइटोप्लाज्मिक अनुभाग; एमटीडीएनए को चिह्नित करने वाले सोने के कण माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के पास पाए जाते हैं (ऊपरी दाएं कोने में काले बिंदु)। (B) सीएसके बफर के साथ निष्कर्षण और एंटी-डीएनए के साथ इम्युनोगोल्ड लेबलिंग के बाद साइटोप्लाज्म का संपूर्ण दृश्य; एमटीडीएनए (सोने के कणों द्वारा चिह्नित) निष्कर्षण का विरोध करता है। इबोरा एट अल., 2004 से।जून 2021[2]

माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए (mDNA या mtDNA) वह डीएनए है जो एक यूकेरियोटिक कोशिका के माइटोकॉन्ड्रिया कोशिकांग में स्थित होता है, जो कार्बनिक यौगिकों से रासायनिक ऊर्जा को एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (ATP) में परिवर्तित करता है। माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए एक यूकेरियोटिक कोशिका में निहित डीएनए का एक छोटा सा हिस्सा है; अधिकांश डीएनए कोशिका केंद्रक (cell nucleus) में होता है, और पौधों तथा शैवाल में, डीएनए प्लास्टिड में भी पाया जाता है, जैसे कि क्लोरोप्लास्ट।[3] माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए जटिल ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन (OXPHOS) प्रणाली के 13 आवश्यक सबयूनिट्स को कोड करने के लिए जिम्मेदार है, जिसकी कोशिकीय ऊर्जा रूपांतरण में भूमिका होती है।

मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए मानव जीनोम का पहला महत्वपूर्ण हिस्सा था जिसे अनुक्रमित (sequence) किया गया था।[4] इस अनुक्रमण से पता चला कि मानव एमटीडीएनए में 16,569 बेस पेयर होते हैं और यह 13 प्रोटीन को एन्कोड करता है। अन्य कशेरुकियों की तरह, मानव माइटोकॉन्ड्रियल आनुवंशिक कोड (genetic code) परमाणु डीएनए से थोड़ा भिन्न होता है।

चूंकि जानवरों का एमटीडीएनए परमाणु आनुवंशिक मार्करों की तुलना में तेजी से विकसित होता है,[5] यह फाइलोजेनेटिक्स और विकासवादी जीव विज्ञान का एक मुख्य आधार है। यह आबादी के संबंधों का पता लगाने की भी अनुमति देता है, और इसलिए नृविज्ञान (anthropology) और जैव-भूगोल (biogeography) में महत्वपूर्ण हो गया है।

उत्पत्ति

माना जाता है कि परमाणु और माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की अलग-अलग विकासवादी उत्पत्ति है, जिसमें एमटीडीएनए आधुनिक यूकेरियोटिक कोशिकाओं के पूर्वजों द्वारा निगले गए बैक्टीरिया के वृत्ताकार जीनोम से प्राप्त हुआ है। इस सिद्धांत को एंडोसिम्बायोटिक सिद्धांत कहा जाता है। मौजूदा जीवों की कोशिकाओं में, माइटोकॉन्ड्रिया में अधिकांश प्रोटीन (स्तनधारियों में लगभग 1500 विभिन्न प्रकार) परमाणु डीएनए द्वारा कोडित होते हैं, लेकिन उनमें से कुछ, यदि सभी नहीं, तो अधिकांश के जीन बैक्टीरिया मूल के माने जाते हैं, जिन्हें विकास के दौरान यूकेरियोटिक केंद्रक में स्थानांतरित कर दिया गया था।[6]

माइटोकॉन्ड्रिया ने कुछ जीन क्यों बनाए रखे हैं, इस पर बहस चल रही है। कुछ प्रजातियों में जीनोम रहित माइटोकॉन्ड्रिया-व्युत्पन्न कोशिकांगों का अस्तित्व[7] यह बताता है कि पूर्ण जीन हानि संभव है, और माइटोकॉन्ड्रियल जीन को केंद्रक में स्थानांतरित करने के कई फायदे हैं। दूर से उत्पादित हाइड्रोफोबिक प्रोटीन उत्पादों को माइटोकॉन्ड्रिया तक लक्षित करने में कठिनाई एक परिकल्पना है कि कुछ जीन एमटीडीएनए में क्यों बनाए रखे जाते हैं; रेडॉक्स विनियमन के लिए सह-स्थानीयकरण (colocalisation for redox regulation) एक और परिकल्पना है, जो माइटोकॉन्ड्रियल मशीनरी पर स्थानीयकृत नियंत्रण की वांछनीयता का हवाला देती है। एमटीडीएनए जीनोम की एक विस्तृत श्रृंखला के हालिया विश्लेषण से पता चलता है कि ये दोनों विशेषताएं माइटोकॉन्ड्रियल जीन प्रतिधारण को निर्धारित कर सकती हैं।

जीनोम संरचना और विविधता

सभी जीवों में, छह मुख्य माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम प्रकार होते हैं, जिन्हें संरचना (यानी वृत्ताकार बनाम रैखिक), आकार, इंट्रोन या प्लास्मिड जैसी संरचनाओं की उपस्थिति, और क्या आनुवंशिक सामग्री एक एकल अणु है या समरूप (homogeneous) या विषम (heterogeneous) अणुओं का संग्रह है, के आधार पर वर्गीकृत किया गया है।[8]

कई एककोशिकीय जीवों में (उदाहरण के लिए, सिलिएट टेट्राहाइमेना और हरा शैवाल क्लैमाइडोमोनस रेनहार्ड्टी), और दुर्लभ मामलों में बहुकोशिकीय जीवों में भी (उदाहरण के लिए निडेरिया की कुछ प्रजातियों में), एमटीडीएनए रैखिक डीएनए होता है। इन रैखिक एमटीडीएनए में से अधिकांश में टेलोमेरेज़-स्वतंत्र टेलोमेरेस (यानी, रैखिक डीएनए के सिरे) होते हैं, जिनमें प्रतिकृति के विभिन्न तरीके होते हैं, जिन्होंने उन्हें शोध के दिलचस्प विषय बना दिया है क्योंकि रैखिक एमटीडीएनए वाले इन एककोशिकीय जीवों में से कई ज्ञात रोगजनक (pathogens) हैं।[9]

जानवर

अधिकांश (बिलाटेरिया) जानवरों में एक वृत्ताकार माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम होता है। हालांकि, मेडूसोज़ोआ और कैलकेरिया क्लेड में रैखिक माइटोकॉन्ड्रियल गुणसूत्र वाली प्रजातियां शामिल हैं।[10] कुछ अपवादों को छोड़कर, जानवरों के माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए में 37 जीन होते हैं: 13 प्रोटीन के लिए, 22 tRNAs के लिए, और 2 rRNAs के लिए।

जानवरों के लिए माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम औसतन लगभग 16,000 बेस पेयर लंबे होते हैं।[11] एनीमोन Isarachnanthus nocturnus का माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम किसी भी जानवर में सबसे बड़ा है, जो 80,923 bp का है। जानवरों में सबसे छोटा ज्ञात माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम कॉम्ब जेली वैलिकुला मल्टीफॉर्मिस का है, जिसमें 9,961 bp होते हैं।

फरवरी 2020 में, एक जेलीफ़िश-संबंधित परजीवी – हेनेगुया सालमिनीकोला – की खोज की गई थी जिसमें माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम की कमी है लेकिन यह माइटोकॉन्ड्रिया-संबंधित कोशिकांगों जैसी संरचनाओं को बरकरार रखता है। इसके अलावा, एरोबिक श्वसन और माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए प्रतिकृति और प्रतिलेखन में शामिल परमाणु डीएनए जीन या तो अनुपस्थित थे या केवल स्यूडोजीन के रूप में मौजूद थे। यह पहला बहुकोशिकीय जीव है जिसके बारे में ज्ञात है कि इसमें एरोबिक श्वसन का अभाव है और यह पूरी तरह से ऑक्सीजन निर्भरता से मुक्त रहता है।[12]

Armadillidium vulgare का जीनोम अन्य क्रस्टेशियन (कवचधारी जीवों) की तुलना में औसतन 30 kB बड़ा होता है, जो इसे mtDNA अनुसंधान में एक मॉडल जीव बनाता है।[13]

पादप और कवक

पादपों और कवकों में तीन अलग-अलग प्रकार के माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम होते हैं। पहला प्रकार एक गोलाकार (सर्कुलर) जीनोम है जिसमें इंट्रॉन (प्रकार 2) होते हैं और इसकी लंबाई 19 से 1000 kbp तक हो सकती है। दूसरा जीनोम प्रकार एक गोलाकार जीनोम (लगभग 20–1000 kbp) है जिसमें प्लास्मिड जैसी संरचना (1 kb) भी होती है (प्रकार 3)। पादपों और कवकों में पाया जाने वाला अंतिम जीनोम प्रकार एक रैखिक (लीनियर) जीनोम है जो सजातीय DNA अणुओं से बना होता है (प्रकार 5)।[14]

कवकों और पादपों के बीच mtDNA की जीन सामग्री और आकार में बहुत भिन्नता पाई जाती है, हालांकि सभी यूकेरियोट्स (उन कुछ को छोड़कर जिनमें माइटोकॉन्ड्रिया बिल्कुल नहीं होते) में जीन का एक मुख्य उपसमुच्चय मौजूद होता है।[6] हालाँकि, कवकों में, कोई भी एक जीन ऐसा नहीं है जो सभी माइटोजेनोम में साझा किया जाता हो। कुछ पादप प्रजातियों में विशाल माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम होते हैं, जिसमें Silene conica का mtDNA 1,13,00,000 बेस पेयर तक का होता है। हालाँकि, उन विशाल mtDNAs में भी संबंधित पादपों के समान ही संख्या और प्रकार के जीन होते हैं, जिनके mtDNAs बहुत छोटे होते हैं। खीरे (Cucumis sativus) के माइटोकॉन्ड्रिया का जीनोम तीन गोलाकार गुणसूत्रों (1556, 84 और 45 किलोबेस की लंबाई) से बना होता है, जो अपनी प्रतिकृति के संबंध में पूरी तरह या काफी हद तक स्वायत्त होते हैं।

प्रोटिस्ट

प्रोटिस्ट में सबसे विविध माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम होते हैं, इस जगत में पाँच अलग-अलग प्रकार पाए जाते हैं। पादप और कवक जीनोम के प्रकार 2, प्रकार 3 और प्रकार 5 भी कुछ प्रोटिस्ट में मौजूद होते हैं, साथ ही दो अद्वितीय जीनोम प्रकार भी होते हैं। इन अद्वितीय प्रकारों में से एक गोलाकार DNA अणुओं का एक विषम संग्रह (प्रकार 4) है, जबकि दूसरा रैखिक अणुओं का एक विषम संग्रह (प्रकार 6) है। जीनोम प्रकार 4 और 6 प्रत्येक का आकार 1–200 kbp के बीच होता है।

आज तक अनुक्रमित (सीक्वेंस्ड) सबसे छोटा माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम परजीवी Plasmodium falciparum का 5,967 bp का mtDNA है।[15]

एंडोसिम्बायोटिक जीन स्थानांतरण, वह प्रक्रिया जिसके द्वारा माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम में कोडित जीन कोशिका के मुख्य जीनोम में स्थानांतरित हो जाते हैं, संभवतः यह बताती है कि क्यों मनुष्यों जैसे अधिक जटिल जीवों में प्रोटिस्ट जैसे सरल जीवों की तुलना में छोटे माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम होते हैं।

जीनोम प्रकार[8] पारंपरिक जगत इंट्रॉन आकार आकृति विवरण
1 जंतु नहीं 11–28 kbp गोलाकार एकल अणु
2 कवक, पादप, प्रोटिस्टा हाँ 19–1000 kbp गोलाकार एकल अणु
3 कवक, पादप, प्रोटिस्टा नहीं 20–1000 kbp गोलाकार बड़ा अणु और छोटी प्लास्मिड जैसी संरचनाएं
4 प्रोटिस्टा नहीं 1–200 kbp गोलाकार अणुओं का विषम समूह
5 कवक, पादप, प्रोटिस्टा नहीं 1–200 kbp रैखिक अणुओं का सजातीय समूह
6 प्रोटिस्टा नहीं 1–200 kbp रैखिक अणुओं का विषम समूह

प्रतिकृति (Replication)

मानव माइटोकॉन्ड्रियल DNA के दो स्ट्रैंड्स को भारी स्ट्रैंड (heavy strand) और हल्के स्ट्रैंड (light strand) के रूप में पहचाना जाता है।[16] माइटोकॉन्ड्रियल DNA प्रतिकृति और प्रतिलेखन (ट्रांसक्रिप्शन) दीक्षा का विनियमन एक एकल इंटरजेनिक नॉनकोडिंग क्षेत्र (NCR) में स्थित होता है। मनुष्यों में, 1,100 बेस पेयर वाले NCR क्षेत्र में तीन प्रमोटर होते हैं: दो L-स्ट्रैंड प्रमोटर (LSP और LSP2) और एक H-स्ट्रैंड प्रमोटर (HSP)। परमाणु DNA प्रतिकृति की द्विदिश और विशिष्ट उत्पत्ति दीक्षा के विपरीत, माइटोकॉन्ड्रियल DNA में प्रतिकृति के दो स्ट्रैंड-विशिष्ट, एकदिशीय मूल होते हैं: अग्रणी H स्ट्रैंड (OH) जो NCR में स्थित होता है और लैगिंग L स्ट्रैंड (OL) जो tRNA जीन क्लस्टर में स्थित होता है।

माइटोकॉन्ड्रियल DNA की प्रतिकृति DNA पॉलीमरेज़ गामा कॉम्प्लेक्स द्वारा की जाती है, जो POLG जीन द्वारा एन्कोड किए गए 140 kDa उत्प्रेरक DNA पॉलीमरेज़ और POLG2 जीन द्वारा एन्कोड किए गए दो 55 kDa सहायक सबयूनिट्स से बना होता है।[17] रेप्लीसोम मशीनरी DNA पॉलीमरेज़, TWINKLE और माइटोकॉन्ड्रियल SSB प्रोटीन द्वारा बनती है। TWINKLE एक हेलिकेज़ है, जो 5' से 3' दिशा में dsDNA के छोटे हिस्सों को खोलता है। माइटोकॉन्ड्रियल सिंगल-स्ट्रैंडेड DNA बाइंडिंग प्रोटीन (SSB) DNA प्रतिकृति के दौरान POLG के साथ अपनी गतिविधि का समन्वय करता है। ये सभी पॉलीपेप्टाइड्स परमाणु जीनोम में एन्कोड किए जाते हैं।

भ्रूणजनन के दौरान, निषेचित डिंब (ओसाइट) से लेकर प्री-इम्प्लांटेशन भ्रूण तक mtDNA की प्रतिकृति को सख्ती से डाउन-रेगुलेट किया जाता है।[18] प्रति-कोशिका mtDNA कॉपी संख्या में परिणामी कमी माइटोकॉन्ड्रियल बॉटलनेक में भूमिका निभाती है, जो हानिकारक उत्परिवर्तनों की विरासत को कम करने के लिए कोशिका-से-कोशिका परिवर्तनशीलता का उपयोग करती है। जस्टिन सेंट जॉन और उनके सहयोगियों के अनुसार, "ब्लास्टोसिस्ट चरण में, mtDNA प्रतिकृति की शुरुआत विशेष रूप से ट्रोफोएक्टोडर्म की कोशिकाओं में होती है। इसके विपरीत, इनर सेल मास की कोशिकाएं mtDNA प्रतिकृति को तब तक प्रतिबंधित रखती हैं जब तक कि उन्हें विशिष्ट कोशिका प्रकारों में विभेदित होने के लिए संकेत नहीं मिल जाते।"

DNA मरम्मत

हालाँकि माइटोकॉन्ड्रिया में कई DNA मरम्मत मार्गों के होने की सूचना मिली है, वर्तमान में बेस एक्सिशन रिपेयर (क्षार निष्कासन मरम्मत) मार्ग सबसे व्यापक रूप से वर्णित मार्ग है।[19] माइटोकॉन्ड्रियल DNA के रखरखाव में नियोजित प्रोटीन परमाणु जीन द्वारा एन्कोड किए जाते हैं और माइटोकॉन्ड्रिया में स्थानांतरित किए जाते हैं। मानव कोशिकाओं के माइटोकॉन्ड्रिया DNA बेस पेयर मिसमैच (बेमेल) की मरम्मत उस मार्ग से करने में सक्षम हैं जो केंद्रक के DNA मिसमैच रिपेयर मार्ग से अलग है। इस विशिष्ट माइटोकॉन्ड्रियल मार्ग में Y बॉक्स बाइंडिंग प्रोटीन 1 (जिसे YB-1 या YBX1 कहा जाता है) की गतिविधि शामिल है, जो संभवतः मिसमैच रिपेयर के मिसमैच बाइंडिंग और पहचान चरणों में कार्य करता है। माइटोकॉन्ड्रिया के लिए विशिष्ट DNA मरम्मत तंत्र माइटोकॉन्ड्रियल DNA की ऑक्सीडेटिव फास्फोराइलेशन प्रणाली के निकटता और परिणामस्वरूप ATP उत्पादन के दौरान बनने वाले DNA-क्षतिग्रस्त प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (ROS) के प्रति संवेदनशीलता को दर्शा सकते हैं।

Map of the human mitochondrial genome

File:Map of the human mitochondrial genome.svg
मानव माइटोकॉन्ड्रियल DNA जिसमें उनके संबंधित H- और L-स्ट्रैंड्स पर 37 जीन हैं

मानव mtDNA पर जीन और उनका अनुलेखन (Transcription)

আরও দেখুন: मानव माइटोकॉन्ड्रियल आनुवंशिकी

File:Human karyotype with bands and sub-bands.png
योजनाबद्ध कैरियोग्राम जो मानव जीनोम को दर्शाता है, जिसमें 23 गुणसूत्र जोड़े के साथ-साथ माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम (नीचे बाईं ओर पैमाने पर, "MT" के रूप में चिह्नित) भी है। इसका जीनोम बाकी की तुलना में अपेक्षाकृत छोटा है, और प्रति मानव कोशिका इसकी प्रति संख्या 0 (एरिथ्रोसाइट्स)[20] से लेकर 1,500,000 (ओसाइट्स) तक भिन्न होती है।
আরও দেখুন: कैरियोटाइप

मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए के दो स्ट्रैंड्स को भारी स्ट्रैंड (heavy strand) और हल्के स्ट्रैंड (light strand) के रूप में पहचाना जाता है। भारी स्ट्रैंड गुआनीन से समृद्ध होता है और ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन प्रणाली के 12 सबयूनिट्स, दो राइबोसोमल आरएनए (12S और 16S), और 14 ट्रांसफर आरएनए (tRNAs) को एनकोड करता है। हल्का स्ट्रैंड एक सबयूनिट और 8 tRNAs को एनकोड करता है। इस प्रकार, कुल मिलाकर mtDNA दो rRNAs, 22 tRNAs, और 13 प्रोटीन सबयूनिट्स के लिए एनकोड करता है, जो सभी ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन प्रक्रिया में शामिल होते हैं।

मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए के लिए कैम्ब्रिज रेफरेंस सीक्वेंस के 37 जीन और उनके स्थान[21]
जीन प्रकार उत्पाद माइटोजिनोम में स्थान स्ट्रैंड
MT-ATP8 प्रोटीन कोडिंग ATP सिंथेस, Fo सबयूनिट 8 (कॉम्प्लेक्स V) 08,366–08,572 (MT-ATP6 के साथ ओवरलैप) H
MT-ATP6 प्रोटीन कोडिंग ATP सिंथेस, Fo सबयूनिट 6 (कॉम्प्लेक्स V) 08,527–09,207 (MT-ATP8 के साथ ओवरलैप) H
MT-CO1 प्रोटीन कोडिंग साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज, सबयूनिट 1 (कॉम्प्लेक्स IV) 05,904–07,445 H
MT-CO2 प्रोटीन कोडिंग साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज, सबयूनिट 2 (कॉम्प्लेक्स IV) 07,586–08,269 H
MT-CO3 प्रोटीन कोडिंग साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज, सबयूनिट 3 (कॉम्प्लेक्स IV) 09,207–09,990 H
MT-CYB प्रोटीन कोडिंग साइटोक्रोम b (कॉम्प्लेक्स III) 14,747–15,887 H
MT-ND1 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 1 (कॉम्प्लेक्स I) 03,307–04,262 H
MT-ND2 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 2 (कॉम्प्लेक्स I) 04,470–05,511 H
MT-ND3 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 3 (कॉम्प्लेक्स I) 10,059–10,404 H
MT-ND4L प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 4L (कॉम्प्लेक्स I) 10,470–10,766 (MT-ND4 के साथ ओवरलैप) H
MT-ND4 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 4 (कॉम्प्लेक्स I) 10,760–12,137 (MT-ND4L के साथ ओवरलैप) H
MT-ND5 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 5 (कॉम्प्लेक्स I) 12,337–14,148 H
MT-ND6 प्रोटीन कोडिंग NADH डिहाइड्रोजनेज, सबयूनिट 6 (कॉम्प्लेक्स I) 14,149–14,673 L
MT-RNR2 प्रोटीन कोडिंग ह्यूमानिन — —
MT-TA ट्रांसफर आरएनए tRNA-एलानिन (Ala या A) 05,587–05,655 L
MT-TR ट्रांसफर आरएनए tRNA-आर्जिनिन (Arg या R) 10,405–10,469 H
MT-TN ट्रांसफर आरएनए tRNA-एस्पाराजिन (Asn या N) 05,657–05,729 L
MT-TD ट्रांसफर आरएनए tRNA-एस्पार्टिक एसिड (Asp या D) 07,518–07,585 H
MT-TC ट्रांसफर आरएनए tRNA-सिस्टीन (Cys या C) 05,761–05,826 L
MT-TE ट्रांसफर आरएनए tRNA-ग्लूटामिक एसिड (Glu या E) 14,674–14,742 L
MT-TQ ट्रांसफर आरएनए tRNA-ग्लूटामाइन (Gln या Q) 04,329–04,400 L
MT-TG ट्रांसफर आरएनए tRNA-ग्लाइसिन (Gly या G) 09,991–10,058 H
MT-TH ट्रांसफर आरएनए tRNA-हिस्टिडीन (His या H) 12,138–12,206 H
MT-TI ट्रांसफर आरएनए tRNA-आइसोल्यूसीन (Ile या I) 04,263–04,331 H
MT-TL1 ट्रांसफर आरएनए tRNA-ल्यूसीन (Leu-UUR या L) 03,230–03,304 H
MT-TL2 ट्रांसफर आरएनए tRNA-ल्यूसीन (Leu-CUN या L) 12,266–12,336 H
MT-TK ट्रांसफर आरएनए tRNA-लाइसिन (Lys या K) 08,295–08,364 H
MT-TM ट्रांसफर आरएनए tRNA-मेथियोनीन (Met या M) 04,402–04,469 H
MT-TF ट्रांसफर आरएनए tRNA-फेनिलएलानिन (Phe या F) 00,577–00,647 H
MT-TP ट्रांसफर आरएनए tRNA-प्रोलीन (Pro या P) 15,956–16,023 L
MT-TS1 ट्रांसफर आरएनए tRNA-सेरीन (Ser-UCN या S) 07,446–07,514 L
MT-TS2 ट्रांसफर आरएनए tRNA-सेरीन (Ser-AGY या S) 12,207–12,265 H
MT-TT ट्रांसफर आरएनए tRNA-थ्रेओनीन (Thr या T) 15,888–15,953 H
MT-TW ट्रांसफर आरएनए tRNA-ट्रिप्टोफैन (Trp या W) 05,512–05,579 H
MT-TY ट्रांसफर आरएनए tRNA-टायरोसिन (Tyr या Y) 05,826–05,891 L
MT-TV ट्रांसफर आरएनए tRNA-वेलिन (Val या V) 01,602–01,670 H
MT-RNR1 राइबोसोमल आरएनए छोटा सबयूनिट: SSU (12S) 00,648–01,601 H
MT-RNR2 राइबोसोमल आरएनए बड़ा सबयूनिट: LSU (16S) 01,671–03,229 H

अधिकांश (लेकिन सभी नहीं) प्रोटीन-कोडिंग क्षेत्रों के बीच, tRNAs मौजूद होते हैं (देखें मानव माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम मानचित्र)। अनुलेखन के दौरान, tRNAs अपना विशिष्ट L-आकार प्राप्त कर लेते हैं जिसे विशिष्ट एंजाइमों द्वारा पहचाना और काटा जाता है। माइटोकॉन्ड्रियल आरएनए प्रसंस्करण के साथ, व्यक्तिगत mRNA, rRNA, और tRNA अनुक्रम प्राथमिक ट्रांसक्रिप्ट से मुक्त हो जाते हैं।[22] इसलिए मुड़े हुए tRNAs माध्यमिक संरचना विराम चिह्नों (punctuations) के रूप में कार्य करते हैं।

अनुलेखन एकल-सबयूनिट माइटोकॉन्ड्रियल आरएनए पॉलीमरेज़ (POLRMT) द्वारा किया जाता है। दो सहायक कारकों, माइटोकॉन्ड्रियल ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर A (TFAM) और माइटोकॉन्ड्रियल ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर B2 (TFB2M) के साथ मिलकर, POLRMT कॉम्प्लेक्स प्रमोटरों को पहचानता है और अनुलेखन शुरू करता है।[23] अनुलेखन के परिणामस्वरूप पॉलीसिस्ट्रोनिक ट्रांसक्रिप्ट प्राप्त होते हैं, जिन्हें अलग-अलग माइटोकॉन्ड्रियल आरएनए कणिकाओं में व्यक्तिगत mRNAs, tRNAs, और rRNAs में संसाधित किया जाता है।

अनुलेखन का विनियमन

भारी और हल्के स्ट्रैंड्स के अनुलेखन की शुरुआत के लिए प्रमोटर mtDNA के मुख्य गैर-कोडिंग क्षेत्र में स्थित होते हैं जिसे डिस्प्लेसमेंट लूप, D-लूप कहा जाता है।[24] इस बात के प्रमाण हैं कि माइटोकॉन्ड्रियल rRNAs का अनुलेखन भारी-स्ट्रैंड प्रमोटर 1 (HSP1) द्वारा विनियमित होता है, और प्रोटीन सबयूनिट्स को कोड करने वाले पॉलीसिस्ट्रोनिक ट्रांसक्रिप्ट का अनुलेखन HSP2 द्वारा विनियमित होता है।

गोजातीय ऊतकों में mtDNA-एनकोडेड RNAs के स्तरों के मापन से पता चला है कि कुल ऊतक आरएनए के सापेक्ष माइटोकॉन्ड्रियल आरएनए की अभिव्यक्ति में बड़े अंतर होते हैं।[25] जांचे गए 12 ऊतकों में से अभिव्यक्ति का उच्चतम स्तर हृदय में देखा गया, उसके बाद मस्तिष्क और स्टेरॉयडोजेनिक ऊतक के नमूने थे।

जैसा कि अधिवृक्क प्रांतस्था (adrenal cortex) कोशिकाओं पर ट्रॉफिक हार्मोन ACTH के प्रभाव से प्रदर्शित होता है, माइटोकॉन्ड्रियल जीन की अभिव्यक्ति बाहरी कारकों द्वारा दृढ़ता से विनियमित हो सकती है, स्पष्ट रूप से ऊर्जा उत्पादन के लिए आवश्यक माइटोकॉन्ड्रियल प्रोटीन के संश्लेषण को बढ़ाने के लिए।[25] दिलचस्प बात यह है कि, जबकि प्रोटीन-एनकोडिंग जीन की अभिव्यक्ति ACTH द्वारा उत्तेजित की गई थी, माइटोकॉन्ड्रियल 16S rRNA के स्तरों में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं दिखा।

माइटोकॉन्ड्रियल वंशागति

अधिकांश बहुकोशिकीय जीवों में, mtDNA माता से विरासत में मिलता है (मातृ वंशागति)। इसके तंत्रों में सरल तनुकरण (औसतन एक अंडे में 200,000 mtDNA अणु होते हैं, जबकि एक स्वस्थ मानव शुक्राणु में औसतन 5 अणु होने की सूचना मिली है),[26] पुरुष जननांग और निषेचित अंडे में शुक्राणु mtDNA का क्षरण; और, कम से कम कुछ जीवों में, शुक्राणु mtDNA का अंडे में प्रवेश करने में विफलता शामिल है। तंत्र चाहे जो भी हो, mtDNA वंशागति का यह एकल जनक (एकल-पैतृक वंशागति) पैटर्न अधिकांश जानवरों, अधिकांश पौधों और कवक में भी पाया जाता है।

2018 में प्रकाशित एक अध्ययन में, यह बताया गया कि मानव शिशुओं को अपने पिता और माता दोनों से mtDNA विरासत में मिला, जिसके परिणामस्वरूप mtDNA विषमप्ररूपता (heteroplasmy) उत्पन्न हुई,[27] यह एक ऐसा निष्कर्ष है जिसे अन्य वैज्ञानिकों द्वारा खारिज कर दिया गया है।

मातृ वंशागति

लैंगिक प्रजनन में, माइटोकॉन्ड्रिया सामान्यतः विशेष रूप से माता से विरासत में मिलते हैं; स्तनधारी शुक्राणु में मौजूद माइटोकॉन्ड्रिया को निषेचन के बाद आमतौर पर अंडे की कोशिका द्वारा नष्ट कर दिया जाता है। साथ ही, माइटोकॉन्ड्रिया केवल मध्य-भाग (midpiece) में मौजूद होते हैं, जिसका उपयोग शुक्राणु कोशिकाओं को आगे बढ़ाने के लिए किया जाता है, और कभी-कभी निषेचन के दौरान पूंछ के साथ मध्य-भाग भी नष्ट हो जाता है। 1999 में यह बताया गया था कि पैतृक शुक्राणु माइटोकॉन्ड्रिया (जिसमें mtDNA होता है) को यूबिकिटिन (ubiquitin) के साथ चिह्नित किया जाता है ताकि उन्हें भ्रूण के अंदर बाद में नष्ट करने के लिए चुना जा सके।[28] कुछ इन विट्रो निषेचन तकनीकें, विशेष रूप से अंडकोशिका (oocyte) में शुक्राणु इंजेक्ट करना, इसमें बाधा डाल सकती हैं।

यह तथ्य कि माइटोकॉन्ड्रियल DNA अधिकतर मातृ रूप से विरासत में मिलता है, वंशावली शोधकर्ताओं को मातृ वंश का समय में बहुत पीछे तक पता लगाने में सक्षम बनाता है। (Y-गुणसूत्रीय DNA, जो पितृ रूप से विरासत में मिलता है, का उपयोग पितृवंशीय इतिहास निर्धारित करने के लिए इसी तरह किया जाता है।) यह आमतौर पर मानव माइटोकॉन्ड्रियल DNA पर हाइपरवेरिएबल कंट्रोल रीजन (HVR1 या HVR2), और कभी-कभी माइटोकॉन्ड्रियल DNA के पूर्ण अणु को वंशावली DNA परीक्षण के रूप में अनुक्रमित (sequencing) करके पूरा किया जाता है।[29] उदाहरण के लिए, HVR1 में लगभग 440 बेस पेयर होते हैं। मातृ वंश निर्धारित करने के लिए इन 440 बेस पेयर की तुलना अन्य व्यक्तियों (या तो विशिष्ट लोगों या डेटाबेस में विषयों) के समान क्षेत्रों से की जाती है। सबसे अधिक बार, तुलना संशोधित कैम्ब्रिज रेफरेंस सीक्वेंस के साथ की जाती है। विला *एट अल.* ने भेड़ियों से पालतू कुत्तों के मातृ वंश का पता लगाने वाले अध्ययन प्रकाशित किए हैं। माइटोकॉन्ड्रियल ईव की अवधारणा इसी प्रकार के विश्लेषण पर आधारित है, जो समय में पीछे जाकर मानव जाति की उत्पत्ति का पता लगाने का प्रयास करती है।

माइटोकॉन्ड्रियल बॉटलनेक

एकल-पैतृक वंशागति के अधीन और बहुत कम या बिना पुनर्संयोजन (recombination) वाली इकाइयों के मुलर के रैचेट (Muller's ratchet) के अधीन होने की उम्मीद की जा सकती है, जो हानिकारक उत्परिवर्तनों का संचय है जब तक कि कार्यक्षमता समाप्त न हो जाए। माइटोकॉन्ड्रिया की पशु आबादी एक विकासात्मक प्रक्रिया के माध्यम से इससे बचती है जिसे mtDNA बॉटलनेक के रूप में जाना जाता है। बॉटलनेक कोशिका में यादृच्छिक प्रक्रियाओं का उपयोग करता है ताकि जैसे-जैसे जीव विकसित होता है, म्यूटेंट लोड में कोशिका-दर-कोशिका परिवर्तनशीलता बढ़ सके: इस प्रकार म्यूटेंट mtDNA के कुछ अनुपात वाला एक एकल अंडा कोशिका एक ऐसा भ्रूण पैदा करता है जिसमें विभिन्न कोशिकाओं में अलग-अलग म्यूटेंट लोड होते हैं। कोशिका-स्तरीय चयन तब उन कोशिकाओं को हटाने के लिए कार्य कर सकता है जिनमें अधिक म्यूटेंट mtDNA होता है, जिससे पीढ़ियों के बीच म्यूटेंट लोड में स्थिरीकरण या कमी आती है। बॉटलनेक के अंतर्निहित तंत्र पर बहस जारी है,[30] जिसमें एक हालिया गणितीय और प्रयोगात्मक मेटा-अध्ययन कोशिका विभाजनों पर mtDNA के यादृच्छिक विभाजन और कोशिका के भीतर mtDNA अणुओं के यादृच्छिक टर्नओवर के संयोजन के प्रमाण प्रदान करता है।

पुरुष वंशागति

মূল নিবন্ধ: Paternal mtDNA transmission

पुरुष माइटोकॉन्ड्रियल DNA वंशागति प्लाइमाउथ रॉक चिकन में खोजी गई है।[31] साक्ष्य कुछ स्तनधारियों में भी पुरुष माइटोकॉन्ड्रियल वंशागति के दुर्लभ उदाहरणों का समर्थन करते हैं। विशेष रूप से, चूहों के लिए प्रलेखित घटनाएं मौजूद हैं, जहां पुरुष-विरासत में मिले माइटोकॉन्ड्रिया को बाद में अस्वीकार कर दिया गया था। यह भेड़ों और क्लोन किए गए मवेशियों में भी पाया गया है। मनुष्यों में पुरुष माइटोकॉन्ड्रियल वंशागति के दुर्लभ मामले प्रलेखित किए गए हैं। हालांकि इनमें से कई मामलों में क्लोन किए गए भ्रूण या पैतृक माइटोकॉन्ड्रिया की बाद में अस्वीकृति शामिल है, अन्य प्रयोगशाला स्थितियों के तहत इन विवो वंशागति और दृढ़ता का दस्तावेजीकरण करते हैं।

द्वि-एकल-पैतृक वंशागति (Doubly uniparental inheritance) mtDNA को बाइवाल्व मोलस्क में देखा जाता है। उन प्रजातियों में, मादाओं में केवल एक प्रकार का mtDNA (F) होता है, जबकि पुरुषों में उनकी दैहिक कोशिकाओं में F-प्रकार का mtDNA होता है, लेकिन जनन रेखा (germline) कोशिकाओं में M-प्रकार का mtDNA (जो 30% तक भिन्न हो सकता है) होता है।[32] पैतृक रूप से विरासत में मिले माइटोकॉन्ड्रिया को कुछ कीड़ों जैसे फ्रूट फ्लाई, मधुमक्खी और पीरियॉडिकल सिकाडा में भी रिपोर्ट किया गया है।

माइटोकॉन्ड्रियल दान

মূল নিবন্ধ: Mitochondrial donation

माइटोकॉन्ड्रियल दान या माइटोकॉन्ड्रियल रिप्लेसमेंट थेरेपी (MRT) के रूप में जानी जाने वाली एक IVF तकनीक के परिणामस्वरूप ऐसी संतान पैदा होती है जिसमें एक दाता मादा से mtDNA, और माता-पिता से परमाणु DNA होता है। स्पिंडल ट्रांसफर प्रक्रिया में, एक अंडे के केंद्रक (nucleus) को एक दाता मादा के अंडे के साइटोप्लाज्म में डाला जाता है, जिसका केंद्रक हटा दिया गया है लेकिन जिसमें अभी भी दाता मादा का mtDNA होता है। फिर मिश्रित अंडे को पुरुष के शुक्राणु के साथ निषेचित किया जाता है। इस प्रक्रिया का उपयोग तब किया जाता है जब आनुवंशिक रूप से दोषपूर्ण माइटोकॉन्ड्रिया वाली महिला संतान पैदा करना चाहती है और स्वस्थ माइटोकॉन्ड्रिया वाली संतान उत्पन्न करना चाहती है।[33] माइटोकॉन्ड्रियल दान के परिणामस्वरूप पैदा होने वाला पहला ज्ञात बच्चा 6 अप्रैल 2016 को मैक्सिको में एक जॉर्डन के जोड़े से पैदा हुआ लड़का था।

उत्परिवर्तन और रोग

File:Mitochondrial DNA en.svg
प्रोटीन-, rRNA- और tRNA-एनकोडिंग जीन के समूहों के साथ मानव माइटोकॉन्ड्रियल DNA
File:Mitochondrial DNA and diseases.svg
कई मानव रोगों में माइटोकॉन्ड्रियल DNA की भागीदारी

संवेदनशीलता

यह अवधारणा कि mtDNA अपनी निकटता के कारण श्वसन श्रृंखला (respiratory chain) द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (reactive oxygen species) के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील है, विवादास्पद बनी हुई है।[34] mtDNA में परमाणु DNA (nuclear DNA) की तुलना में अधिक ऑक्सीडेटिव बेस क्षति जमा नहीं होती है। यह बताया गया है कि कम से कम कुछ प्रकार की ऑक्सीडेटिव DNA क्षति की मरम्मत केंद्रक (nucleus) की तुलना में माइटोकॉन्ड्रिया में अधिक कुशलता से की जाती है। mtDNA उन प्रोटीनों के साथ पैक होता है जो परमाणु क्रोमैटिन (nuclear chromatin) के प्रोटीनों जितने ही सुरक्षात्मक प्रतीत होते हैं। इसके अलावा, माइटोकॉन्ड्रिया ने एक अनूठी क्रियाविधि विकसित की है जो अत्यधिक क्षतिग्रस्त जीनोम के क्षरण और उसके बाद अक्षुण्ण/मरम्मत किए गए mtDNA के प्रतिकृति (replication) के माध्यम से mtDNA की अखंडता को बनाए रखती है। यह क्रियाविधि केंद्रक में मौजूद नहीं है और माइटोकॉन्ड्रिया में मौजूद mtDNA की कई प्रतियों द्वारा सक्षम होती है। mtDNA में उत्परिवर्तन का परिणाम कुछ प्रोटीनों के लिए कोडिंग निर्देशों में परिवर्तन हो सकता है, जिसका जीव के चयापचय और/या फिटनेस पर प्रभाव पड़ सकता है।

आनुवंशिक बीमारी

আরও দেখুন: Mitochondrial disease माइटोकॉन्ड्रियल DNA के उत्परिवर्तन कई बीमारियों का कारण बन सकते हैं, जिनमें व्यायाम असहिष्णुता (exercise intolerance) और केर्न्स-सेयर सिंड्रोम (Kearns–Sayre syndrome - KSS) शामिल हैं, जिसके कारण व्यक्ति हृदय, आंख और मांसपेशियों की गतिविधियों का पूर्ण नियंत्रण खो देता है। कुछ प्रमाण बताते हैं कि वे उम्र बढ़ने की प्रक्रिया और उम्र से संबंधित विकृतियों (age-associated pathologies) में प्रमुख योगदानकर्ता हो सकते हैं।[35] विशेष रूप से बीमारी के संदर्भ में, एक कोशिका में उत्परिवर्ती mtDNA अणुओं के अनुपात को हेटरोप्लाज्मी (heteroplasmy) कहा जाता है। हेटरोप्लाज्मी का कोशिका के भीतर और कोशिकाओं के बीच वितरण बीमारी की शुरुआत और गंभीरता को निर्धारित करता है और कोशिका के भीतर तथा विकास के दौरान जटिल स्टोकेस्टिक प्रक्रियाओं (stochastic processes) से प्रभावित होता है।

माइटोकॉन्ड्रियल tRNA में उत्परिवर्तन MELAS और MERRF सिंड्रोम जैसी गंभीर बीमारियों के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।[36]

परमाणु जीन में उत्परिवर्तन जो उन प्रोटीनों को एनकोड करते हैं जिनका उपयोग माइटोकॉन्ड्रिया करता है, वे भी माइटोकॉन्ड्रियल बीमारियों में योगदान कर सकते हैं। ये बीमारियां माइटोकॉन्ड्रियल वंशानुक्रम पैटर्न का पालन नहीं करती हैं, बल्कि मेंडेलियन वंशानुक्रम पैटर्न का पालन करती हैं।[37]

रोग निदान में उपयोग

हाल ही में, नकारात्मक प्रोस्टेट बायोप्सी वाले रोगियों में प्रोस्टेट कैंसर के निदान में मदद करने के लिए mtDNA में एक उत्परिवर्तन का उपयोग किया गया है।[38] कैंसर के रोगियों के जैव-तरल पदार्थों (bio-fluids) में mtDNA परिवर्तन का पता लगाया जा सकता है। mtDNA बहुरूपता (polymorphisms) और उत्परिवर्तन की उच्च दर द्वारा पहचाना जाता है। इनमें से कुछ को मानव विकृति के एक महत्वपूर्ण कारण के रूप में तेजी से पहचाना जा रहा है, जैसे कि ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन (OXPHOS) विकार, मातृ रूप से विरासत में मिला मधुमेह और बहरापन (MIDD), टाइप 2 मधुमेह मेलेटस, न्यूरोडीजेनेरेटिव रोग, हृदय गति रुकना और कैंसर।

उम्र बढ़ने के साथ संबंध

यद्यपि यह विचार विवादास्पद है, कुछ प्रमाण उम्र बढ़ने और माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम की शिथिलता के बीच एक संबंध का सुझाव देते हैं।[39] संक्षेप में, mtDNA में उत्परिवर्तन प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (ROS) के उत्पादन और एंजाइमेटिक ROS स्केवेंजिंग (जैसे सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज, कैटलेज, ग्लूटाथियोन पेरोक्सीडेज और अन्य एंजाइमों द्वारा) के बीच के नाजुक संतुलन को बिगाड़ देते हैं। हालाँकि, कुछ उत्परिवर्तन जो ROS उत्पादन को बढ़ाते हैं (उदाहरण के लिए, एंटीऑक्सीडेंट सुरक्षा को कम करके), कीड़ों में उनकी दीर्घायु को कम करने के बजाय बढ़ाते हैं। इसके अलावा, नग्न मोल-रैट (Naked mole-rat), जो चूहे के आकार के कृंतक (rodents) हैं, चूहों की तुलना में लगभग आठ गुना अधिक जीवित रहते हैं, जबकि उनकी एंटीऑक्सीडेंट सुरक्षा चूहों की तुलना में कम होती है और जैव-अणुओं को ऑक्सीडेटिव क्षति अधिक होती है। कभी यह माना जाता था कि एक सकारात्मक फीडबैक लूप काम कर रहा है (एक 'दुष्चक्र'); जैसे-जैसे माइटोकॉन्ड्रियल DNA मुक्त कणों के कारण आनुवंशिक क्षति जमा करता है, माइटोकॉन्ड्रिया कार्य खो देते हैं और साइटोसोल में मुक्त कणों का रिसाव करते हैं। माइटोकॉन्ड्रियल कार्य में कमी समग्र चयापचय दक्षता को कम करती है। हालाँकि, इस अवधारणा को निर्णायक रूप से तब गलत साबित कर दिया गया जब यह प्रदर्शित किया गया कि जिन चूहों को समय से पहले बूढ़ा होने के लिए mtDNA उत्परिवर्तन को त्वरित दर पर जमा करने के लिए आनुवंशिक रूप से परिवर्तित किया गया था, उनके ऊतक 'दुष्चक्र' परिकल्पना द्वारा भविष्यवाणी के अनुसार अधिक ROS का उत्पादन नहीं करते हैं। दीर्घायु और माइटोकॉन्ड्रियल DNA के बीच संबंध का समर्थन करते हुए, कुछ अध्ययनों ने माइटोकॉन्ड्रियल DNA के जैव रासायनिक गुणों और प्रजातियों की दीर्घायु के बीच संबंध पाया है। एक माइटोकॉन्ड्रिया-विशिष्ट ROS स्केवेंजर का अनुप्रयोग, जिसके कारण अध्ययन किए गए चूहों की दीर्घायु में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, यह बताता है कि माइटोकॉन्ड्रिया अभी भी उम्र बढ़ने में अच्छी तरह से शामिल हो सकते हैं। इस संबंध और उम्र बढ़ने से निपटने के तरीकों की जांच करने के लिए व्यापक शोध किया जा रहा है। वर्तमान में, जीन थेरेपी और न्यूट्रास्युटिकल पूरकता चल रहे शोध के लोकप्रिय क्षेत्र हैं। Bjelakovic et al. ने 1977 और 2012 के बीच 78 अध्ययनों के परिणामों का विश्लेषण किया, जिसमें कुल 296,707 प्रतिभागी शामिल थे, और निष्कर्ष निकाला कि एंटीऑक्सीडेंट सप्लीमेंट सभी कारणों से होने वाली मृत्यु दर को कम नहीं करते हैं और न ही जीवनकाल बढ़ाते हैं, जबकि उनमें से कुछ, जैसे बीटा कैरोटीन, विटामिन E, और विटामिन A की उच्च खुराक, वास्तव में मृत्यु दर को बढ़ा सकते हैं। एक हालिया अध्ययन में, यह दिखाया गया था कि आहार प्रतिबंध चूहों के कई अंगों में mtDNA क्षति के संचय को प्रभावित करके उम्र बढ़ने के परिवर्तनों को उलट सकता है। उदाहरण के लिए, आहार प्रतिबंध ने कॉर्टेक्स में mtDNA क्षति के उम्र से संबंधित संचय को रोका और फेफड़ों तथा वृषण (testis) में इसे कम किया।

न्यूरोडीजेनेरेटिव रोग

बढ़ी हुई mtDNA क्षति कई न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों की एक विशेषता है।

अल्जाइमर रोग वाले व्यक्तियों के मस्तिष्क में परमाणु DNA (nuclear DNA) और mtDNA दोनों में ऑक्सीडेटिव DNA क्षति का स्तर ऊंचा होता है, लेकिन mtDNA में परमाणु DNA की तुलना में लगभग 10 गुना अधिक स्तर होता है।[40] यह प्रस्तावित किया गया है कि वृद्ध माइटोकॉन्ड्रिया अल्जाइमर रोग में न्यूरोडीजेनेरेशन की उत्पत्ति में महत्वपूर्ण कारक है। AD रोगियों के मस्तिष्क के विश्लेषण ने DNA मरम्मत मार्ग के बिगड़े हुए कार्य का सुझाव दिया, जो mtDNA की समग्र गुणवत्ता को कम कर देगा।

हंटिंगटन रोग में, उत्परिवर्ती हंटिंगटिन प्रोटीन माइटोकॉन्ड्रियल शिथिलता का कारण बनता है जिसमें माइटोकॉन्ड्रियल इलेक्ट्रॉन परिवहन का निषेध, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों का उच्च स्तर और बढ़ा हुआ ऑक्सीडेटिव तनाव शामिल है।[41] उत्परिवर्ती हंटिंगटिन प्रोटीन mtDNA के साथ-साथ परमाणु DNA को भी ऑक्सीडेटिव क्षति को बढ़ावा देता है, जो हंटिंगटन रोग की पैथोलॉजी में योगदान कर सकता है।

DNA ऑक्सीकरण उत्पाद 8-ऑक्सोगुआनिन (8-oxoG) ऑक्सीडेटिव DNA क्षति का एक सुस्थापित मार्कर है। एमियोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (ALS) वाले व्यक्तियों में, वे एंजाइम जो सामान्य रूप से रीढ़ की हड्डी के मोटर न्यूरॉन के mtDNA में 8-oxoG DNA क्षति की मरम्मत करते हैं, वे खराब हो जाते हैं।[42] इस प्रकार मोटर न्यूरॉन्स के mtDNA को होने वाली ऑक्सीडेटिव क्षति ALS के एटियलजि (etiology) में एक महत्वपूर्ण कारक हो सकती है।

mtDNA बेस संरचना का पशु जीवन काल के साथ सहसंबंध

File:Correlation between the mtDNA GC% and maximum life span across 387 different mammalian species.png
पशु प्रजातियों की mtDNA बेस संरचना को MitoAge डेटाबेस से प्राप्त किया गया और AnAge डेटाबेस से उनके अधिकतम जीवन काल के साथ तुलना की गई।

पिछले एक दशक में, प्रोफेसर वादिम फ्राइफेल्ड के नेतृत्व में एक इजरायली शोध समूह ने दिखाया है कि mtDNA बेस संरचना और पशु प्रजाति-विशिष्ट अधिकतम जीवन काल के बीच मजबूत और महत्वपूर्ण सहसंबंध मौजूद हैं।[43] उनके काम में जैसा कि प्रदर्शित किया गया है, उच्च mtDNA गुआनिन + साइटोसिन सामग्री (GC%) पशु प्रजातियों में लंबे अधिकतम जीवन काल के साथ मजबूती से जुड़ी हुई है। एक अतिरिक्त अवलोकन यह है कि अधिकतम जीवन काल के साथ mtDNA GC% का सहसंबंध, पशु प्रजातियों की चयापचय दर (metabolic rate) और अधिकतम जीवन काल के बीच के सुविख्यात सहसंबंध से स्वतंत्र है। mtDNA GC% और विश्राम चयापचय दर पशु प्रजातियों के अधिकतम जीवन काल में अंतर को गुणात्मक तरीके से समझाते हैं (अर्थात, प्रजाति का अधिकतम जीवन काल = उनका mtDNA GC% * चयापचय दर)। पशुओं में mtDNA विशेषताओं और दीर्घायु के बीच तुलनात्मक विश्लेषण करने में वैज्ञानिक समुदाय का समर्थन करने के लिए, MitoAge नामक एक समर्पित डेटाबेस बनाया गया था।

mtDNA उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम प्रजाति-विशिष्ट जीवन-इतिहास लक्षणों के प्रति संवेदनशील है

डी नोवो (De novo) उत्परिवर्तन या तो DNA प्रतिकृति के दौरान गलतियों के कारण या अंतर्जात और बहिर्जात उत्परिवर्तनजन (mutagens) के कारण होने वाली मरम्मत न की गई क्षति के कारण उत्पन्न होते हैं। लंबे समय से यह माना जाता रहा है कि mtDNA प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (ROS) के कारण होने वाली क्षति के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील हो सकता है, हालांकि, G>T प्रतिस्थापन, जो परमाणु जीनोम में ऑक्सीडेटिव क्षति की पहचान है, mtDNA में बहुत दुर्लभ हैं और उम्र के साथ नहीं बढ़ते हैं। सैकड़ों स्तनधारी प्रजातियों के mtDNA उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम की तुलना करते हुए, हाल ही में यह प्रदर्शित किया गया है कि विस्तारित जीवन काल वाली प्रजातियों में एकल-फंसे भारी श्रृंखलाओं (single-stranded heavy chains) पर A>G प्रतिस्थापन की दर बढ़ जाती है।[44] इस खोज ने इस परिकल्पना को जन्म दिया कि A>G उम्र से संबंधित ऑक्सीडेटिव क्षति का एक माइटोकॉन्ड्रिया-विशिष्ट मार्कर है। यह निष्कर्ष इस अवलोकन के लिए एक उत्परिवर्तनीय (चयनात्मक के विपरीत) व्याख्या प्रदान करता है कि दीर्घजीवी प्रजातियों में GC-समृद्ध mtDNA होता है: दीर्घजीवी प्रजातियां केवल अपनी उत्परिवर्तन प्रक्रिया के पक्षपाती होने के कारण GC-समृद्ध हो जाती हैं। स्तनधारियों में mtDNA उत्परिवर्तन स्पेक्ट्रम और प्रजाति-विशिष्ट जीवन-इतिहास लक्षणों के बीच एक संबंध इन कारकों को एक साथ जोड़ने की संभावना खोलता है, जिससे जीवों के विभिन्न समूहों में नए जीवन-इतिहास-विशिष्ट उत्परिवर्तनजन की खोज हो सकती है।

गैर-B (गैर-विहित) DNA संरचनाओं के साथ संबंध

विलोपन ब्रेकपॉइंट अक्सर उन क्षेत्रों के भीतर या उनके पास होते हैं जो गैर-विहित (non-B) संरचनाएं दिखाते हैं, अर्थात् हेयरपिन, क्रूसिफॉर्म और क्लोवरलीफ जैसी तत्व।[45] इसके अलावा, डेटा अस्थिरता की घटनाओं को उत्पन्न करने में हेलिक्स-विकृत आंतरिक रूप से घुमावदार क्षेत्रों और लंबे G-टेट्राड्स की भागीदारी का समर्थन करता है। इसके अतिरिक्त, GC-skewed क्षेत्रों के भीतर और अपभ्रंश अनुक्रम मोटिफ YMMYMNNMMHM के निकटता में लगातार उच्च ब्रेकपॉइंट घनत्व देखे गए।

फोरेंसिक में उपयोग

परमाणु DNA के विपरीत, जो माता-पिता दोनों से विरासत में मिलता है और जिसमें जीन पुनर्संयोजन की प्रक्रिया में पुनर्व्यवस्थित होते हैं, mtDNA में आमतौर पर माता से संतान तक कोई बदलाव नहीं होता है। हालांकि mtDNA भी पुनर्संयोजित होता है, लेकिन यह उसी माइटोकॉन्ड्रिया के भीतर अपनी प्रतियों के साथ ऐसा करता है। इस कारण से और क्योंकि पशु mtDNA की उत्परिवर्तन दर परमाणु DNA की तुलना में अधिक है,[46] mtDNA महिलाओं (मातृवंश) के माध्यम से वंश का पता लगाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है और इसका उपयोग इस भूमिका में कई प्रजातियों के वंश का सैकड़ों पीढ़ियों पीछे तक पता लगाने के लिए किया गया है।

mtDNA परीक्षण का उपयोग फोरेंसिक वैज्ञानिकों द्वारा उन मामलों में किया जा सकता है जहां परमाणु DNA गंभीर रूप से खराब हो गया है। ऑटोसोमल कोशिकाओं में परमाणु DNA की केवल दो प्रतियां होती हैं, लेकिन प्रत्येक कोशिका में मौजूद कई माइटोकॉन्ड्रिया के कारण mtDNA की सैकड़ों प्रतियां हो सकती हैं। इसका मतलब है कि अत्यधिक खराब साक्ष्य जो STR विश्लेषण के लिए उपयोगी नहीं होंगे, उनका उपयोग mtDNA विश्लेषण में किया जा सकता है। mtDNA हड्डियों, दांतों या बालों में मौजूद हो सकता है, जो गंभीर गिरावट के मामले में बचे हुए एकमात्र अवशेष हो सकते हैं। STR विश्लेषण के विपरीत, mtDNA अनुक्रमण पारंपरिक रूप से सेंगर अनुक्रमण, जिसे 1970 के दशक में फ्रेडरिक सेंगर द्वारा विकसित किया गया था के माध्यम से किया गया है। सेंगर अनुक्रमण, सबसे पुरानी और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि, फोरेंसिक mtDNA टाइपिंग में स्वर्ण मानक बनी हुई है जो बड़े पैमाने पर समानांतर अनुक्रमण (MPS) को मान्य करती है।[47] एंडरसन एट अल ने 1981 में पहले माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम, कैम्ब्रिज रेफरेंस सीक्वेंस (CRS) को अनुक्रमित और रिपोर्ट किया, जिसे बाद में 1999 में संशोधित और संशोधित कैम्ब्रिज रेफरेंस सीक्वेंस (rCRS) के रूप में नामित किया गया। तब से rCRS को बदलने के लिए एक पुनर्निर्मित सेपियन्स रेफरेंस सीक्वेंस (RSRS) का प्रस्ताव दिया गया है। ज्ञात अनुक्रम और संदिग्ध अनुक्रम दोनों की तुलना उनके संबंधित हैप्लोटाइप उत्पन्न करने के लिए संशोधित कैम्ब्रिज रेफरेंस सीक्वेंस से की जाती है। यदि ज्ञात नमूना अनुक्रम और संदिग्ध अनुक्रम एक ही मातृवंश से उत्पन्न हुए हैं, तो कोई भी rCRS से समान अनुक्रम और समान अंतर देखने की उम्मीद करेगा। ऐसे मामले सामने आते हैं जहां एकत्र करने के लिए कोई ज्ञात नमूना नहीं होता है और अज्ञात अनुक्रम को EMPOP जैसे डेटाबेस में खोजा जा सकता है। EMPOP, जो यूरोपीय DNA प्रोफाइलिंग (EDNAP) समूह के माइटोकॉन्ड्रियल DNA जनसंख्या डेटाबेस प्रोजेक्ट के लिए है, 63,400 से अधिक गुणवत्ता नियंत्रित माइटोटाइप के साथ सबसे बड़ा फोरेंसिक DNA डेटाबेस है, जो इसके वर्तमान संस्करण, V.14 में है। DNA विश्लेषण विधियों पर वैज्ञानिक कार्य समूह ज्ञात mtDNA अनुक्रम और संदिग्ध mtDNA अनुक्रम के बीच अंतर का वर्णन करने के लिए तीन निष्कर्षों की सिफारिश करता है: अनुक्रमों के बीच दो या अधिक अंतर के लिए बहिष्करण, यदि एक न्यूक्लियोटाइड अंतर है तो अनिर्णायक, या यदि दो अनुक्रमों के बीच कोई न्यूक्लियोटाइड अंतर नहीं है तो बहिष्कृत करने में असमर्थता।

तेजी से उत्परिवर्तन दर (पशुओं में) mtDNA को एक प्रजाति के भीतर व्यक्तियों या समूहों के आनुवंशिक संबंधों का आकलन करने और विभिन्न प्रजातियों के बीच फाइलोजेनी (विकासवादी संबंध; देखें फाइलोजेनेटिक्स) की पहचान और मात्रा निर्धारित करने के लिए उपयोगी बनाती है। ऐसा करने के लिए, जीवविज्ञानी विभिन्न व्यक्तियों या प्रजातियों से mtDNA अनुक्रमों को निर्धारित करते हैं और फिर उनकी तुलना करते हैं। तुलनाओं से प्राप्त डेटा का उपयोग अनुक्रमों के बीच संबंधों का एक नेटवर्क बनाने के लिए किया जाता है, जो उन व्यक्तियों या प्रजातियों के बीच संबंधों का अनुमान प्रदान करता है जिनसे mtDNA लिए गए थे। mtDNA का उपयोग निकट संबंधी और दूर के संबंधी प्रजातियों के बीच संबंधों का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है। पशुओं में mtDNA की उच्च उत्परिवर्तन दर के कारण, कोडोन की तीसरी स्थितियां अपेक्षाकृत तेजी से बदलती हैं और इस प्रकार निकट संबंधी व्यक्तियों या प्रजातियों के बीच आनुवंशिक दूरियों के बारे में जानकारी प्रदान करती हैं। दूसरी ओर, mt-प्रोटीन की प्रतिस्थापन दर बहुत कम है, इस प्रकार अमीनो एसिड परिवर्तन धीरे-धीरे जमा होते हैं (1 और 2 कोडोन स्थितियों पर संबंधित धीमी परिवर्तनों के साथ) और इस प्रकार वे दूर के संबंधी प्रजातियों की आनुवंशिक दूरियों के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। सांख्यिकीय मॉडल जो कोडोन स्थितियों के बीच प्रतिस्थापन दरों का अलग-अलग इलाज करते हैं, उनका उपयोग उन फाइलोजेनी का एक साथ अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है जिनमें निकट और दूर दोनों संबंधी प्रजातियां शामिल हैं[36]

1996 में 'स्टेट ऑफ टेनेसी बनाम पॉल वेयर' (State of Tennessee v. Paul Ware) के दौरान संयुक्त राज्य अमेरिका की अदालत में माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए (mtDNA) को पहली बार साक्ष्य के रूप में स्वीकार किया गया था।[48]

1998 के संयुक्त राज्य अमेरिका के अदालती मामले 'कॉमनवेल्थ ऑफ पेंसिल्वेनिया बनाम पेट्रीसिया लिन रोरर' (Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynne Rorrer) में,[49] पेंसिल्वेनिया राज्य में पहली बार माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए को साक्ष्य के रूप में स्वीकार किया गया था। यह मामला ट्रू क्राइम ड्रामा श्रृंखला Forensic Files (season 5) के सीजन 5 के एपिसोड 55 में दिखाया गया था।

माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए को पहली बार California, संयुक्त राज्य अमेरिका में, San Diego में 7 वर्षीय डेनियल वैन डैम के 2002 के अपहरण और हत्या के मामले में डेविड वेस्टफील्ड के सफल अभियोजन में साक्ष्य के रूप में स्वीकार किया गया था: इसका उपयोग मानव और कुत्ते दोनों की पहचान के लिए किया गया था।[50] यह अमेरिका में कैनाइन (कुत्ते के) डीएनए को स्वीकार करने वाला पहला परीक्षण था।

किंग रिचर्ड III, जिनकी मृत्यु 1485 में हुई थी, के अवशेषों की पहचान उनके mtDNA की तुलना उनकी बहन के दो मातृवंशीय वंशजों के mtDNA से करके की गई थी, जो उनकी मृत्यु के 527 साल बाद 2013 में जीवित थे।[51]

विकासवादी जीव विज्ञान और व्यवस्थित जीव विज्ञान में उपयोग

cellular respiration (कोशिकीय श्वसन) में माइटोकॉन्ड्रिया की महत्वपूर्ण भूमिका को देखते हुए MtDNA सभी यूकेरियोटिक जीवों में संरक्षित है। हालाँकि, कम कुशल डीएनए मरम्मत (परमाणु डीएनए की तुलना में) के कारण, इसमें उत्परिवर्तन दर अपेक्षाकृत अधिक है (लेकिन microsatellites जैसे अन्य डीएनए क्षेत्रों की तुलना में धीमी है), जो इसे जीवों के विकासवादी संबंधों—phylogeny—का अध्ययन करने के लिए उपयोगी बनाती है। जीवविज्ञानी विभिन्न प्रजातियों के बीच mtDNA अनुक्रमों को निर्धारित और फिर उनकी तुलना कर सकते हैं और इन तुलनाओं का उपयोग जांच की गई प्रजातियों के लिए एक evolutionary tree (विकासवादी वृक्ष) बनाने के लिए कर सकते हैं।

उदाहरण के लिए, जबकि अधिकांश nuclear genes मनुष्यों और chimpanzees के बीच लगभग समान हैं, उनके माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम 9.8% अलग हैं। मानव और गोरिल्ला माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम 11.8% अलग हैं, जो यह सुझाव देता है कि मनुष्य गोरिल्ला की तुलना में चिंपांजी से अधिक निकटता से संबंधित हो सकते हैं।[52]

परमाणु डीएनए में mtDNA

66,000 से अधिक लोगों के संपूर्ण जीनोम अनुक्रमों से पता चला कि उनमें से अधिकांश के परमाणु genomes में कुछ माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए सम्मिलित थे। इन परमाणु-माइटोकॉन्ड्रियल खंडों (NUMTs) में से 90% से अधिक तब सम्मिलित हुए थे जब मनुष्य अन्य apes से अलग हो गए थे। परिणाम बताते हैं कि इस तरह के स्थानांतरण वर्तमान में हर ≈4,000 मानव जन्मों में एक बार होते हैं।[53]

ऐसा प्रतीत होता है कि ऑर्गनेल डीएनए को पहले की तुलना में परमाणु डीएनए में बहुत अधिक बार स्थानांतरित किया जाता है। यह अवलोकन एंडोसिम्बियंट सिद्धांत के विचार का भी समर्थन करता है कि eukaryotes का विकास उन endosymbionts से हुआ है जो ऑर्गनेल में बदल गए, जबकि उन्होंने अपने अधिकांश डीएनए को नाभिक में स्थानांतरित कर दिया ताकि इस प्रक्रिया में ऑर्गनेल जीनोम सिकुड़ गया।[53]

इतिहास

माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की खोज 1960 के दशक में मार्गिट एम. के. नास और सिल्वन नास द्वारा इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के माध्यम से माइटोकॉन्ड्रिया के अंदर DNase-संवेदनशील धागों के रूप में,[54] और एलेन हस्लब्रूनर, Hans Tuppy और Gottfried Schatz द्वारा अत्यधिक शुद्ध माइटोकॉन्ड्रियल अंशों पर जैव रासायनिक परीक्षणों द्वारा की गई थी।

माइटोकॉन्ड्रियल अनुक्रम डेटाबेस

माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम अनुक्रमों और अन्य जानकारी को एकत्र करने के लिए कई विशेष डेटाबेस स्थापित किए गए हैं। हालाँकि उनमें से अधिकांश अनुक्रम डेटा पर ध्यान केंद्रित करते हैं, उनमें से कुछ में फाइलोजेनेटिक या कार्यात्मक जानकारी शामिल है।

  • AmtDB: प्राचीन मानव माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम का एक डेटाबेस।[55]
  • InterMitoBase: मानव माइटोकॉन्ड्रिया के लिए प्रोटीन-प्रोटीन इंटरैक्शन का एक एनोटेटेड डेटाबेस और विश्लेषण मंच। (स्पष्ट रूप से 2010 में अंतिम बार अपडेट किया गया, लेकिन अभी भी उपलब्ध है)
  • MitoBreak: माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए ब्रेकपॉइंट्स डेटाबेस।
  • MitoFish और MitoAnnotator: मछलियों का एक माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम डेटाबेस। कॉथोर्न एट अल भी देखें।
  • Mitome: मेटाज़ोअन जानवरों में तुलनात्मक माइटोकॉन्ड्रियल जीनोमिक्स के लिए एक डेटाबेस (अब उपलब्ध नहीं है)
  • MitoRes: मेटाज़ोआ में परमाणु-एनकोडेड माइटोकॉन्ड्रियल जीन और उनके उत्पादों का एक संसाधन (स्पष्ट रूप से अब अपडेट नहीं किया जा रहा है)
  • MitoSatPlant: विरिडीप्लांटे (viridiplantae) का माइटोकॉन्ड्रियल माइक्रोसेटेलाइट डेटाबेस।
  • MitoZoa 2.0: मेटाज़ोआ में माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम के तुलनात्मक और विकासवादी विश्लेषण के लिए एक डेटाबेस। (अब उपलब्ध नहीं है)

MtDNA-फेनोटाइप एसोसिएशन डेटाबेस

जीनोम-व्यापी एसोसिएशन अध्ययन जीवनकाल और बीमारी के जोखिमों सहित phenotypes के साथ mtDNA जीन और उनके उत्परिवर्तन के संबंधों को प्रकट कर सकते हैं। 2021 में, माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए का सबसे बड़ा, UK Biobank-आधारित, जीनोम-व्यापी एसोसिएशन अध्ययन ने जीवनकाल और टाइप 2 मधुमेह जैसे बीमारी के जोखिमों सहित फेनोटाइप्स के साथ 260 नए संबंधों का अनावरण किया।[56]

माइटोकॉन्ड्रियल उत्परिवर्तन डेटाबेस

कई विशेष डेटाबेस मौजूद हैं जो मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए में बहुरूपता (polymorphisms) और उत्परिवर्तन की रिपोर्ट करते हैं, साथ ही उनकी रोगजनकता (pathogenicity) का आकलन भी करते हैं।

  • MitImpact: मानव माइटोकॉन्ड्रियल प्रोटीन-कोडिंग जीन में गैर-पर्यायवाची प्रतिस्थापन (non-synonymous substitutions) का कारण बनने वाले सभी न्यूक्लियोटाइड परिवर्तनों के लिए पूर्व-गणना की गई रोगजनकता भविष्यवाणियों का एक संग्रह MitImpact 3D - IRCCS-CSS Bioinformatics lab।
  • MITOMAP: मानव माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए में बहुरूपता और उत्परिवर्तन का एक संग्रह WebHome < MITOMAP < Foswiki।

संदर्भ

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स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “Mitochondrial DNA” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_DNA यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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