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Wie können Sie feststellen, ob ein proteinkodierendes Gen nukleär oder mitochondrial ist?

Wie können Sie feststellen, ob ein proteinkodierendes Gen nukleär oder mitochondrial ist?


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Neu in Bezug auf Gene und müssen Literatur lesen, um Kandidatengene für eine bestimmte Studie zu finden. Ich kann für mein Leben nicht verstehen, ob alle Gene entweder in die Kategorie "nuklear" oder "mitochondrial" eingeordnet werden ... gibt es noch mehr Kategorien? Einige sind einfach, wie Gene der Cytochrom-Untereinheit immer als "mitochondrial" und Rhodopsin als nukleär geschrieben werden ... aber andere Gene wie ATPase usw. haben diese Beschreibungen nicht. Wenn ich online weiter suche, ist es immer noch nicht klar, also frage ich mich jetzt, ob es einfach mehr Kategorien dazu gibt?


Ich habe meine Antwort auf den Menschen beschränkt, aber der Rat lässt sich auf andere eukaryotische Zellen verallgemeinern.

In menschlichen Zellen befinden sich fast alle Gene, die für Proteine ​​kodieren, im Genom, das sich im Zellkern befindet. Die Mitochondrien besitzen ihr eigenes genetisches Material, die mitochondrialen Gene kodieren jedoch nur für 14 Proteine. Die Antwort auf diese Frage weist auch auf die Existenz extrachromosomaler zirkulärer DNA hin. Es gibt auch eine Reihe von Proteinen (1192), deren Existenz nachgewiesen wurde, aber ihre genomische Position ist derzeit nicht bestätigt.

In Ihren Kommentaren erwähnen Sie ATP1 und stellen fest, dass dies der Fall istMembranprotein genannt.Die Gen befindet sich auf Chromosom 19 im Zellkern. Die Protein, das ist kodiert durch die Gen, kann an einer Vielzahl von Orten gefunden werden, einschließlich des Zellkerns und auch des Mitochondriums. Das Gen für die Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit 1 (CO1/COX1) ist im mitochondrialen Genom kodiert und lokalisiert auf der inneren Membran des Mitochondriums.

Die Links in dieser Antwort verweisen alle auf Uniprot. Damit mache ich mir ein Bild von den Grundfunktionen von Proteinen. Die Datenbank enthält Informationsgene, aber ihr Hauptzweck besteht darin, Proteine ​​und ihre Funktionen zu beschreiben. Die Informationen sind ungefähr richtig, sie sind nicht perfekt. Es enthält viele Arten und Links zu einer Reihe von Werkzeugen, einschließlich der Genontologie, die versucht, Proteine ​​mithilfe eines kontrollierten Vokabulars zu charakterisieren.


Entwicklung neuer mitochondrialer Gene zur Wiederherstellung der mitochondrialen Funktion (MitoSENS)

Mitochondrien erfüllen und unterstützen mehrere lebenswichtige Funktionen in einer Zelle, und das alternative Genom, mtDNA, spielt eine entscheidende Rolle bei der Erhaltung der Organellen. Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass die mitochondriale Funktion mit zunehmendem Alter abnimmt und dass dysfunktionale Mitochondrien nachteilig zu verschiedenen metabolischen und neuromuskulären Erkrankungen beitragen. Unser Ziel ist es, altersbedingte und angeborene Mutationsfehler in der mtDNA mit einem gentherapeutischen Ansatz zu adressieren. Wir erforschen:

  1. allotope Expression (die mtDNA-Gene aus dem Zellkern exprimiert) und
  2. Ersatz der ganzen Organellen

als Strategien zur Revitalisierung der mitochondrialen Funktion. Unser multidisziplinärer Ansatz verwendet Zellkultur- und Mausmodelle, um unsere Ziele zu erreichen.


ELife-Digest

Mitochondrien sind wie die Batterien unserer Zellen, sie erfüllen die wesentliche Aufgabe, Nährstoffe in chemische Energie umzuwandeln. Eine Zelle ist für ihr Überleben auf ihre Mitochondrien angewiesen, aber sie sind nicht vollständig unter der Kontrolle der Zelle. Mitochondrien haben ihre eigene DNA, die von der DNA der Zelle getrennt ist, die im Zellkern gespeichert ist. Es enthält eine Handvoll Gene, die den Code für einige der wichtigen Proteine ​​tragen, die für die Energiegewinnung benötigt werden.

Diese Proteine ​​werden in den Mitochondrien selbst hergestellt und ihr Gehalt wird an den aktuellen Energiebedarf der Zelle angepasst. Dazu erstellen Mitochondrien Kopien ihrer Gene und füttern diese Kopien in ihre eigene Proteinproduktionsmaschinerie. Durch die Kontrolle der Anzahl der von ihnen hergestellten Genkopien können Mitochondrien die Menge an Protein kontrollieren, die sie produzieren. Aber der Prozess hat mehrere Schritte. Die Kopien liegen in Form eines DNA-ähnlichen Moleküls namens RNA vor und enthalten zunächst mehrere nacheinander verbundene Gene. Um auf jedes Gen zugreifen zu können, müssen die Mitochondrien sie zerschneiden. Anschließend verarbeiten sie die Fragmente und optimieren die Anzahl der Kopien jedes Gens. Dieser Prozess – Genexpression genannt – geschieht in den Mitochondrien, aber sie können es nicht alleine tun, sie brauchen Proteine, die in der DNA im Zellkern kodiert sind.

Gene im Zellkern können die Genexpression in den Mitochondrien beeinflussen und die Energieversorgung der Zelle verändern. Wissenschaftler kennen noch nicht alle beteiligten Gene oder wie sich diese zwischen verschiedenen Geweben oder zwischen verschiedenen Individuen unterscheiden könnten. Um das herauszufinden, haben Ali et al. untersuchten mehr als 11.000 Datensätze von RNA-Sequenzen aus 36 verschiedenen menschlichen Zellen und Geweben, darunter Blut, Fett und Haut. Dies zeigte eine große Variation in der Expression mitochondrialer Gene. Die Art und Weise, wie die Mitochondrien ihre Gene verarbeiteten, änderte sich in verschiedenen Zellen und bei verschiedenen Menschen. Um herauszufinden, welche Gene im Zellkern für die Unterschiede in den Mitochondrien verantwortlich sind, wurde im nächsten Schritt der RNA-Spiegel aus den Mitochondrien mit den DNA-Sequenzen im Zellkern verglichen. Dies liegt daran, dass Veränderungen in der DNA-Sequenz zwischen verschiedenen Menschen – genetische Varianten genannt – auch die Funktionsweise von Genen und die Expression von Genen beeinflussen können. Dieser Vergleich ergab 64 genetische Varianten der DNA im Zellkern, die mit der Expression von Genen in den Mitochondrien in Verbindung gebracht werden. Einige von ihnen hatten eine bekannte Verbindung zu genetischen Varianten, die an Krankheiten wie der Hauterkrankung Vitiligo oder Bluthochdruck beteiligt sind.

Obwohl Mitochondrien ihre eigene DNA enthalten, sind sie für ihre Funktion auf Gene aus dem Zellkern angewiesen. Veränderungen an den Genen im Zellkern können die Art und Weise verändern, wie die Mitochondrien ihren eigenen genetischen Code verarbeiten. Zu verstehen, wie diese beiden Gengruppen interagieren, könnte zeigen, wie und warum Mitochondrien schief gehen. Dies könnte die zukünftige Erforschung von Krankheiten wie Herzkrankheiten und Krebs unterstützen.


Mitochondriale DNA bei Krebs: Kleines Genom, große Wirkung

Mitochondrien-Gutschrift: Cancer Research UK

Mitochondrien liegen im Trend, und Anhänger von Sportphysiologen und Sportwissenschaftlern bis hin zu Molekularbiologen und Klinikern vereinen sich um diese ungewöhnlichen Organellen.

Aufgrund ihrer Stellung als metabolisches und energetisches Zentrum sowie ihrer zentralen Rolle bei der Kontrolle des Zelltods stehen Mitochondrien auch im Fokus vieler Krebsforscher. Eine wesentliche Facette der mitochondrialen Biologie bei Krebs ist jedoch die noch nicht ausreichend erforschte mitochondriale DNA (mtDNA).

mtDNA ist ein physikalisch und erblich unterschiedliches DNA-Stück, das über die mütterliche Linie von Generation zu Generation weitergegeben wird. Es existiert nur innerhalb der Mitochondrien. Jüngste Arbeiten aus meinem Labor am Beatson Institute von Cancer Research UK in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Memorial Sloan Kettering Cancer Center in den USA unter der Leitung von Dr. Ed Reznik haben gezeigt, welche erheblichen Auswirkungen Mutationen in der mtDNA auf Krebs haben können. Dies zu verstehen, könnte neue Indikatoren für die Krankheitsprognose bieten und einen neuen Fokus für zukünftige Therapeutika schaffen.

Mitochondrien – ein Rätsel über das Königreich hinaus

Auf molekularer Ebene werden die Bestandteile der Mitochondrien von Säugetieren aus Viren, Bakterien und Eukaryoten zusammengesetzt. Daher ist die Organelle, die wir heute in menschlichen Zellen sehen, eine Mischung aus dem Königreich, die keinem ihrer Vorfahren vollständig ähnelt.

Die menschliche mtDNA ist ein kleines Genom, nur 16.569 Basenpaare lang. In Übereinstimmung mit ihrer bakteriellen Abstammung ist mtDNA auch zirkulär und mehrfach kopiert – mit Hunderten bis Tausenden von Kopien in jeder Zelle. mtDNA ist genetisch sehr kompakt und kodiert nur 13 Proteine, die alle Kernuntereinheiten der oxidativen Phosphorylierungskomplexe (OXPHOS) sind.

Diese OXPHOS-Komplexe, die nur in Mitochondrien vorkommen, sind einzigartig in der Humanbiologie, da sie die einzigen zellulären Strukturen sind, die aus Proteinen bestehen, die von Genen aus den beiden getrennten Genomen kodiert werden. Die Kern-DNA liefert etwa 90 % der benötigten Proteine ​​für OXPHOS und die mtDNA liefert die restlichen 10 %.

Mitochondrien und Krankheiten: eine aufgeladene Geschichte

Durch den Prozess von OXPHOS baut sich in den Mitochondrien ein elektrochemischer Gradient auf, wodurch das Innere der Mitochondrien negativ geladen wird. Dieser relative Ladungsunterschied wird dann von Teilen der OXPHOS-Maschinerie genutzt, um nutzbare energetische Moleküle zu produzieren, jedoch benötigen auch fast alle anderen mitochondrialen Funktionen, die nicht mit OXPHOS zusammenhängen, diesen geladenen Zustand, um zu funktionieren. Ohne sie beginnen sich die Vorläufer und Produkte von Reaktionen, die in Mitochondrien ablaufen, auf den falschen Seiten der Mitochondrienmembranen aufzubauen, die aufgrund der elektrochemischen Haltung der Organelle nicht normal transportiert werden können. Dies führt zu verschiedenen Formen von Stoffwechselstörungen, die das Kennzeichen seltener mitochondrialer Erkrankungen sind, die auftreten, wenn Menschen mit Mutationen in ihrer mtDNA geboren werden. Im Allgemeinen führen diese Mutationen zu einer Verschiebung des Stoffwechsels hin zu einer stärkeren Verwertung von Glukose, einer kurzfristigen biochemischen Lösung für das zugrunde liegende Problem, das oft zu schweren Erkrankungen führt.

Nun ist OXPHOS nicht die einzige Möglichkeit, Energie und Bausteine ​​für Zellen zu gewinnen. Eine riesige Anstrengung der Krebsforschung hat sich damit beschäftigt, detailliert zu beschreiben, wie Krebszellen neu verdrahtet werden können, um zu überleben und ein schnelles Zellwachstum zu durchlaufen.

Eine dieser metabolischen Veränderungen ist ein viel diskutiertes Phänomen, das als Warburg-Effekt bekannt ist, bei dem Tumore große Mengen Laktat erzeugen, indem sie vorzugsweise Glukose als Brennstoffquelle verwenden, obwohl sie sich in Bedingungen befinden, in denen ihre Mitochondrien die Schlaffheit auffangen könnten. Otto Warburg und viele seither haben vorgeschlagen, dass der mit diesem Effekt verbundene veränderte Stoffwechsel und andere Formen von Stoffwechselstörungen ein Treiber für die Entstehung und das Fortschreiten von Krebs sind. Ein Konsens über diese Ansicht wurde jedoch in der Krebsforschungsgemeinschaft nie erreicht, und diese Stoffwechselveränderungen werden oft als Folge von Krebs und nicht als potenzielle Ursache angesehen.

Angesichts der jüngsten Entwicklungen muss diese Ansicht möglicherweise weiterentwickelt werden. Während es seit fast zwei Jahrzehnten anekdotische Hinweise auf mtDNA-Mutationen gibt, die in Tumoren auftreten, kamen in den letzten fünf Jahren mehrere Studien mit groß angelegten Sequenzierungsdaten zu dem Schluss, dass etwa 60 % der Tumoren Mutationen der mtDNA aufweisen (1,2,3). Obwohl es diesen Studien an statistischer Aussagekraft und klinischer Einsicht mangelte, wurden noch nie zuvor so klare Verbindungen zwischen einer sehr häufigen und plausiblen Quelle mitochondrialer Dysfunktion und Krebs hergestellt. Es gab eine wachsende Versuchung unter einigen, diese Tumore als isolierte Zellgruppen mit Krebs und schweren mitochondrialen Erkrankungen zu betrachten.

In einem kürzlich erschienenen Artikel in Naturstoffwechsel, meinem Labor und Kollegen vom Memorial Sloan Kettering Cancer Center, beschreiben die den mtDNA-Mutationen zugrunde liegenden Muster, die Auswirkungen dieser Mutationen auf Tumore und die klinischen Auswirkungen davon bei Darmkrebspatienten (CRC). In Übereinstimmung mit früheren Studien haben wir festgestellt, dass etwa 60 % der Tumoren eine oder mehrere mtDNA-Mutationen enthalten. Wir fanden auch stark wiederkehrende Mutationen, die in allen Tumoren an bestimmten DNA-Abschnitten auftreten, in denen eine einzelne DNA-Base wiederholt wird, bekannt als Homopolymer. Dies ist von Bedeutung, da ein Wiederauftreten ein Indikator für den Selektionsdruck ist – es impliziert, dass die Mutation dem Krebs einen Vorteil verleiht.

Wir berechneten auch eine vergleichende Mutationsrate für alle bekannten krebsassoziierten Gene, einschließlich mtDNA-Gene. Überraschenderweise führte uns dies zu dem Schluss, dass mtDNA-Gene zu den am meisten mutierten Genen bei allen Krebsarten gehören, wobei 25 der 30 am häufigsten mutierten Gene in mtDNA kodiert sind. Während der Vergleich von mtDNA und nuklearer DNA seine Grenzen hat – ein relatives Verständnis dieser Mutationen kann uns ein Gefühl für den Kontext und die Proportionen bei der Betrachtung der Krebsgenetik geben. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Mutationslast in der mtDNA nicht mit der Mutationslast im Zellkern zusammenhängt. Dies ist wichtig, da die nukleare DNA-Mutationsbelastung bei vielen Tumoren mit ihrer Reaktion unter anderem auf immunzielgerichtete Therapien verbunden ist. Es ist leicht zu erkennen, wie der mitochondriale Mutationsstatus genutzt werden könnte, um solche Behandlungen besser zuzuordnen, wenn nicht die Entwicklung von auf Mitochondrien ausgerichteten Immuntherapien ermöglicht wird, die möglicherweise Vorteile gegenüber aktuellen Immuntherapiezielen haben. Interessanterweise sahen wir, dass die Mutationen in der mtDNA ungleichmäßig auf die OXPHOS-Komplexe verteilt waren. Dies deutet darauf hin, wie Tumore sich bestimmte Formen der mitochondrialen Dysfunktion zunutze machen könnten, während sie mit anderen ums Überleben kämpfen, und könnte zukünftige therapeutische Ansätze beeinflussen.

Mutationen verleihen Überlebensvorteil

Die von uns entdeckten Mutationen in der mtDNA treten nicht spät in der Tumorentwicklung auf, sondern sind in Tumoren im Stadium 1 mit einer vergleichbaren Häufigkeit wie in Tumoren im Stadium 3 vorhanden. Sie bewirken auch eine deutliche Veränderung in der Art und Weise, wie die Kern-DNA der Tumorzelle exprimiert wird. Zunahmen von nuklear kodierten OXPHOS-Genen und Abnahmen von Genen, die mit der angeborenen Immunität assoziiert sind, wurden bei fast allen untersuchten Krebsarten mit diversen mtDNA-Mutationen in Verbindung gebracht. Wichtig ist, dass wir einen erheblichen Überlebensvorteil für CRC-Patienten, deren Tumore mtDNA-Mutationen aufweisen, mit einem verringerten Sterberisiko von 57-93% für die Mehrheit der Patienten in dieser Kategorie festgestellt haben.

Dies hat potenziell erhebliche unmittelbare Auswirkungen auf die Versorgung von CRC-Patienten, wirft jedoch auch viele andere Fragen auf: Wird diese Auswirkung bei anderen Krebsarten oder nur bei CRC beobachtet? Was sind die genauen Unterschiede zwischen mtDNA-Mutanten und nicht-Mutanten-Krebs, abgesehen von den mtDNA-Veränderungen? Funktionieren einige Therapieansätze bei diesen Patienten deswegen besser oder schlechter? Abgesehen von diesen spezifischen, unmittelbaren Fragen, verursachen mtDNA-Mutationen tatsächlich oder prädisponieren Zellen dafür, krebsartig zu werden, und wie wurde dies so lange übersehen?

Um diesen zu begegnen, muss viel klinische und laborchemische Arbeit geleistet werden. Einige Probleme sind jedoch einfacher zu lösen. Zum Beispiel wurde mtDNA in einem scheinbar großen Fehltritt als selbstverständlich von der Analyse sequenzierter Tumoren ausgeschlossen, hauptsächlich aufgrund technischer Probleme, die bei der Einbeziehung von mtDNA in die Daten auftreten. Dies ist ein bedauerlicher, aber wahrscheinlicher Grund dafür, dass ihre Relevanz für Krebs übersehen wird.

Einen Großteil der Geschichte der Krebsforschung haben sich Wissenschaftler aus gutem Grund stark auf die nukleare DNA konzentriert. Diese Bemühungen haben dazu geführt, dass Krebs von vielen als eine Erkrankung des Genoms angesehen wird, ein Verständnis, das nach unseren jüngsten Entdeckungen erweitert werden sollte. Krebs: keine Erkrankung des Genoms mehr, sondern eine Erkrankung des Genoms.

James B. Stewartet al. Simultane DNA- und RNA-Kartierung somatischer mitochondrialer Mutationen bei verschiedenen menschlichen Krebsarten, PLOS Genetik (2015). DOI: 10.1371/journal.pgen.1005333

undefiniert undefiniert et al. Umfassende molekulare Charakterisierung mitochondrialer Genome bei menschlichen Krebserkrankungen, Naturgenetik (2020). DOI: 10.1038/s41588-019-0557-x


Diskussion

Strukturelle Evolution von acrodontanen Mitogenomen

In der vorliegenden Studie wurden mitogenomische Sequenzen von den wichtigsten repräsentativen Linien von Acrodonta gesammelt, um eine Gelegenheit zu bieten, mitogenomische Strukturen zwischen drei Leguanfamilien zu vergleichen. Iguanid-Mitogenome waren sehr konservativ ohne Gen-Umlagerungen. Sie scheinen sich auch viel langsamer entwickelt zu haben als Agamen- und Chamäleonid-Gegenstücke, wie man anhand der relativ kurzen Zweiglängen innerhalb der Iguanidae beurteilt (Abb. 3). Auf der anderen Seite haben Acrodontan-(insbesondere Agamid-)Mitogenome eine ganz andere Tendenz mit gelegentlichen Genumlagerungen und erhöhten molekularen Evolutionsraten.

In Abb. 5 sind mögliche Abstammungslinien für die hier beschriebenen mitogenomischen Reorganisationen entlang der Phylogenie basierend auf dem Sparsamkeitskriterium abgebildet. Obwohl Agamid-Mitogenome mehrere Beispiele für Gen-Umlagerungen aufweisen, können die meisten von ihnen ohne mehrfache parallele Veränderungen spezifischen Linien zugeordnet werden, was die Seltenheit und weniger homoplasische Natur mitochondrialer Gen-Umlagerungen unterstützt [22]. Die einzig mögliche homoplasische Veränderung ist die Translokation des tRNA Pro-Gens von der 5'- zur 3'-Seite des CR sowohl bei Agaminae als auch bei Chamaeleonidae. Die tRNA Pro-Gene in diesen Taxa werden jedoch in einen etwas anderen genomischen Kontext gestellt, d. h. benachbarte Sequenzen, die aus zwei Typen von AT-reichen Sequenzen bestehen, sind immer in den Chamäleoniden vorhanden (Abb. 2). Dies unterstützt, dass Translokationen des tRNA Pro-Gens in Agaminen und Chamäleoniden aus unabhängigen Ereignissen resultierten. Wenn diese Translokation in einer gemeinsamen Vorfahrenlinie von Agaminae und Chamaeleonidae einmal aufgetreten wäre, muss außerdem von mehreren Umkehrungen zum ursprünglichen Ort des tRNA Pro-Gens in mehreren Agamenlinien ausgegangen werden, was unwahrscheinlich erscheint (Abb. 5). Es wurde gezeigt, dass Genumlagerungen um das CR herum unabhängig in mehreren Abstammungslinien durch den kanonischen Duplikations- und Deletionsmechanismus auftreten [22].

Auftreten von mitogenomischen Strukturveränderungen bei Akrodonteneidechsen. Linien, auf denen individuelle Veränderungen auftraten, wurden durch das Sparsamkeitskriterium basierend auf dem phylogenetischen Rahmen (Abb. 3) und Verteilungen von Genanordnungen in existierenden Arten angenommen. Siehe Abb. 1 für tatsächliche Veränderungen in den Genanordnungen. Die Anticodon-Änderung im tRNA-Pro-Gen ist TGG zu CGG (siehe Text).

Nach unserem besten Wissen haben nur sehr wenige Studien [38, 49] die strukturelle Organisation und Evolution von CRs in Echsenmitogenomen charakterisiert. Die vorliegende Studie zeigt, dass eine Region, die die Felder C, D und F umfasst, eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen Akrodonten und sogar zwischen verschiedenen Wirbeltiergruppen aufweist (Zusatzdatei 1). Auf der anderen Seite scheinen Acrodontan-CRs CSB II in Domäne 3 nicht zu konservieren und Agamen behalten nicht einmal CSB III (Additional File 1). Dies steht in scharfem Gegensatz zu den CRs mehrerer Leguaniden, Gekkoniden und Lacertiden, die alle drei Mitglieder der CSBs konservieren (Additional File 1 [38]), was einen weiteren Beweis für eine konservativere Natur von Leguaniden-Mitogenomen als Acrodontan-Gegenstücke darstellt.

Phylogenetische Beziehungen

Wie bereits erwähnt, wurde die Phylogenie der Akrodontan ursprünglich mit morphologischen Daten rekonstruiert, die mit molekularen Daten unter Verwendung einiger mitochondrialer und nukleärer Gensequenzen ausgewertet wurden. Die vorliegende Studie befasste sich mit diesem Problem unter Verwendung des bisher längsten molekularen Datensatzes (9.386 bp). Um die große Anzahl von Standorten zu gewinnen, mussten wir die Tiefe der Taxon-Stichproben etwas opfern. Daher ist es wichtig, Monophylie einzelner Gruppen zu beurteilen, um unsere Ergebnisse im Hinblick auf subfamiliäre oder generische Zusammenhänge zu interpretieren.

Glücklicherweise lieferten frühere molekulare Studien mit einer Reihe von Taxa, aber weniger Standorten starke Hinweise auf eine Reihe von Kladen in Agamidae und Chamaeleonidae. Honda et al. [12], Macey et al.[13] und Amer und Kumazawa [50] weisen in Bezug auf hohe Bootstrap- oder andere Baumunterstützungswerte stark auf Monophylie von Uromastycinae, Amphibolurinae, Draconinae und Agaminae innerhalb von Agamidae hin. Die verbleibenden Unterfamilien Leiolepidinae und Hydrosaurinae enthalten eine begrenzte Anzahl vorhandener Arten und die Monophylie einiger Leiolepidin-Arten wurde ebenfalls stark unterstützt [13]. Außerdem stimmt das Auftreten subfamilienspezifischer Genumlagerungen (Abb. 5 [24, 25]) mit den Monophylie der entsprechenden Gruppen überein. Bei Chamaeleonidae unterstützten neuere molekulare Studien mit mehreren Gensequenzen [46, 51] die Monophylie von zwei der traditionellen sechs Gattungen (d. h. Brookesia und Furcifer). Verbleibende traditionelle Gattungen Chamäleo, Calumma, Bradypodion und Rhampholeon können jeweils eine Ansammlung weniger monophyletischer Gruppen sein [14, 15, 46, 51], aber es wurde noch keine endgültige Schlussfolgerung über ihre phylogenetischen Verwandtschaft gezogen.

Unser mitogenomischer Baum (Abb. 3) unterstützt stark die Monophylie von Agamidae im Vergleich zu Chamaeleonidae (1,00 Bayes-PP und 100 % ML-BP-Werte). Dies ist kein Artefakt, z. B. aufgrund der Anziehungskraft der langen Zweige, da alle Acrodontan-Linien im Vergleich zu Leguanen beschleunigte molekulare Evolutionsraten zu besitzen scheinen (Abb. 3). Morphologische Analysen (z. B. [7, 10]) und einige molekulare (z. B. [16, 41, 52]) unterstützten die Aamidmonophylie nicht, während andere molekulare Studien (z. B. [13, 17, 53]) dies taten. Obwohl Agamidae unter der vorläufigen Annahme seiner Monophylie als Metataxon angesehen wurde [2, 3, 10], erscheint dies angesichts unserer starken molekularen Beweise für die Agamidae-Monophylie nicht mehr notwendig.

Mitogenomische Daten lieferten agamenunterfamiliäre Wechselbeziehungen mit starken Baumunterstützungswerten im Allgemeinen (Abb. 3). Diese Beziehungen stimmen mit dem sparsamsten Baum überein, der von Macey et al. [13] mit

1.500 bp mitochondriale Gensequenzen. Die traditionelle morphologische Sichtweise neigte jedoch dazu, sich zu vereinen Uromastyx und Leiolepis in eine basale Klade (z. B. [3]). Der Kishino-Hasegawa-Test (Daten nicht gezeigt) deutete darauf hin, dass diese Schwesterbeziehung von Uromastyx und Leiolepis ist unwahrscheinlich, aber nicht abzulehnen (P = 0,275). Die Schwestergruppenbeziehung von Agaminae und Draconinae ist zwischen morphologischen [3] und molekularen Ergebnissen üblich (Abb. 3).

Unser mitogenomischer Baum (Abb. 3) stimmte mit anderen molekularen Studien [14, 46] in Bezug auf die basale Divergenz der Gattung . überein Brookesia und die anschließende Divergenz der Rhampholeon + Rieppeleon Gruppe. Diese phylogenetische Beziehung war jedoch bei Townsend und Larson [15] nicht klar, die

1.500 bp mitochondriale Gensequenzen für phylogenetische Inferenz. Wir führten Bayes-Analysen mit kombinierten mitochondrialen Gensequenzen durch, die von Raxworthy et al. [14] und Townsend und Larson [15] und die Ergebnisse (Daten nicht gezeigt) unterstützten auch die basale Divergenz von Brookesia wie in Townsend et al. [51]. Obwohl Brookesia (madagassische Blattchamäleons) und Rhampholeon (Afrikanische Blattchamäleons) wurden einst in eine gemeinsame Unterfamilie Brookesiinae gruppiert [5], eine andere morphologische Studie basierend auf osteologischen Merkmalen [6] legte die basale Divergenz von Brookesia allein. Zusammengefasst, aber hauptsächlich basierend auf unserer mitogenomischen Phylogenie (Abb. 3), kommen wir zu dem Schluss, dass die madagassischen Brookesia stellt den frühesten Abschuss von erhaltenen Chamäleons dar.

Die Monophylie der traditionellen Gattung Chamäleo wurde durch morphologische Analysen auf der Grundlage verschiedener Synapomorphien (z. B. vier Rotulae in einer Hemipenis) stark nahegelegt und anschließend durch eine molekulare Studie gestützt [14]. Eine andere molekulare Studie [15] fand jedoch ein separates Vorkommen seiner beiden Untergattungen (Chamäleo und Triozeros) in der Phylogenie der Chamäleoniden, allerdings mit wenig statistischer Auswertung ihrer Nicht-Monophylie. Die jüngste molekulare Studie [46] zeigte stärkere Hinweise auf die Trennung von Chamäleo und Triozeros, ihre Erhebung zu verschiedenen Gattungen vorschlagend. Unsere mitogenomischen Analysen (Abb. 3) haben gezeigt, dass Trioceros melleri setzt sich deutlich von 6 Vertretern aus Chamäleo. Der Kishino-Hasegawa-Test wurde abgelehnt (P = 0,017) der beste Baum, der durch Einschränkung der Chamäleo + Triozeros Monophylie (Baum 5 in Tabelle 2, siehe auch Zusatzdatei 2). Der konservativere Shimodaira-Hasegawa-Test (Tabelle 2) lehnte diesen Baum nicht ab, aber seine Wahrscheinlichkeit war sehr gering (P = 0,137), unterstützt die formale Erhebung von Chamäleo und Triozeros zu verschiedenen Gattungen [46].

Zusammen mit Ergebnissen zum Testen einiger spezifischer Hypothesen, die aus früheren morphologischen und molekularen Analysen abgeleitet wurden (Tabelle 2), scheinen mitogenomische Daten ein gewisses Maß an Auflösung in der Phylogenie der Chamäleoniden zu bieten. Nach unserem besten Wissen Clustering von Furcifer mit einer Gruppe von Calumma enthält C. parsonii (Abb. 3) wurde von früheren Studien nicht vorgeschlagen. Auch die Clusterbildung dieser beiden Taxa war nicht mit Triozeros (Abb. 3). Die Auswertung dieser neuen Beziehungen, die keine starken Bootstrap-Unterstützungen erhielten (Fig. 3), wartet auf weitere Taxon-Sampling von mitogenomischen und/oder nuklearen Gendaten.

Historische Biogeographie

Frühere Studien zur historischen Biogeographie von Acrodonta postulierten nicht unbedingt die Monophylie von Agamidae und Iguanidae. Daher wurden Begriffe wie die Herkunft von Iguania, Acrodonta und Agamidae verwirrend verwendet. Diese Studie lieferte starke Beweise für die Monophylie von Agamidae und Iguanidae, mit denen frühere biogeographische Hypothesen neu bewertet werden können. Hier diskutieren wir die acrodontanische Biogeographie basierend auf molekularen, paläontologischen und geologischen Beweisen ohne a priori Annahme von Vikariat oder Zerstreuung (siehe Abb. 6).

Die historische Biogeographie der akrodontischen Eidechsen basierend auf den molekularen, paläontologischen und geologischen Erkenntnissen. Gezeigt sind paläogeographische Karten zu sechs verschiedenen Zeitpunkten [63], auf denen eine Hypothese zu Entstehung und Wanderungswegen von Agamen (rot) und Chamäleoniden (blau) dargestellt ist. Die frühesten Fossilienfunde für Akrodonten und Chamäleons stammen jeweils aus dem frühen mittleren Jura (165 - 200 MYA). Bharatoagama aus der Kota-Formation von Indien [61] und dem Miozän (

26 MYA) Chamaeleo caroliquarti aus Böhmen [64]. Acrodont-Fossilien von Priscagamidae werden aus Aptian-Albian (100 - 120 MYA) und Campanian (

80 MYA) Zentralasien und Mongolei [43, 54, 55]. Ein weiteres akrodontisches Fossil einer gleitenden Eidechse Xianglong wird aus der frühen Kreidezeit Chinas gefunden [56].

Es gab zwei Haupthypothesen über den Ursprung von Acrodonta, d. h. wo der jüngste gemeinsame Vorfahre von Agamidae und Chamaeleonidae war, entweder Laurasian oder Gondwanan. Das Auftreten von acrodontan priscagamid (und sogar pleurodontischen Leguanen) Fossilien aus der mittleren späten Kreidezeit Asiens (Abb. 6.3) führte einige Forscher zu der Hypothese, dass Iguania und Acrodonta aus Laurasian (genauer aus Zentralasien oder der Mongolei) stammen (z. B. [54, 55] ). Ein kürzlicher Bericht über eine gleitende Akrodonteidechse (Xianglong) aus der frühen Kreidezeit Chinas [56] könnte diese Idee ebenfalls unterstützen. Vorhandene Agamen-Eidechsen sind hauptsächlich in Eurasien verbreitet, aber einige kommen auch in Australasien und Afrika vor. Die neuere molekulare Phylogenie ([12, 25, 50, 57], aber siehe [13, 58]) stimmt mit der Ansicht überein, dass vorhandene Agamidae aus Asien stammten und dass einige Nachkommen (z. B. Amphibolurinae und Uromastycinae) während Känozoikum, als sie geografisch mit Eurasien verbunden waren oder sich in unmittelbarer Nähe zu Eurasien befanden. Auf der anderen Seite gibt es gute Übereinstimmung in der gondwanischen (genauer madagassischen oder afrikanischen) Herkunft der vorhandenen Chamäleoniden [5, 6, 14, 59]. Zusammengenommen erfordert der laurasische Ursprung von Acrodonta die transmarine Langstreckenverbreitung von Chamäleoniden-Vorfahren von Eurasien bis Madagaskar/Afrika.

Der gondwanische Ursprung von Iguania wurde von Estes [60] vorgeschlagen, basierend auf einigen fossilen Beweisen und der basalen Divergenz von Iguania von Scleroglossa, die durch die neuere molekulare Phylogenie nicht haltbar ist. Maceyet al. [13] nutzten die molekulare Phylogenie, um den gondwanischen Ursprung von Acrodonta zu befürworten und schlugen vor, dass die wichtigsten akrodontischen Abstammungslinien durch Plattentektonik (d. Obwohl eine neuere molekulare Studie [17] die Bestrahlung einer Unterfamilie der Agaminae ausserhalb Indiens weiter untermauerte, stellten andere molekulare Studien [25, 50, 57] die Gondwana-Vikariat oder multiple nordwärts gerichtete Wanderungen zumindest für einige Abstammungslinien (z. B. Amphibolurinae und Uromastycinae).

In jüngerer Zeit haben einige fossile Beweise ein Licht auf diese Frage geworfen. Bharatagama aus der früh-mittleren Jura-Kota-Formation Indiens (Abb. 6.2) ist die älteste Aufzeichnung von frühen akrodontischen Leguanen [61]. Dieser Fossilienbestand könnte den gondwanischen Ursprung der Akrodonten unterstützen [47, 61]. Wenn Akrodonten aus Gondwanaland stammen, stimmt dies mit der wahrscheinlichen Herkunft der Iguanidae aus Gondwana überein sensu lato ([18] Lit. darin), aber die Vorfahren der existierenden Agamen, die in Asien postuliert wurden (siehe oben), müssen möglicherweise durch transmarine Ausbreitung von der südlichen zur nördlichen Hemisphäre gewandert sein.

Die vorliegende Studie (Abb. 4) legt nahe, dass Agamidae und Chamaeleonidae jeweils monophyletisch sind und dass sie in der mittleren Kreidezeit (96-122 MYA) voneinander abwichen, obwohl unabhängige molekulare Datierungen anhand von Kerngenen etwas jüngere Daten um 85 MYA nahelegen [42 ]. Okajima und Kumazawa [18] zeigten zuvor, dass die beträchtliche Lücke in der geschätzten Divergenzzeit opluriner Leguanide zwischen mitochondrialen [18] und nukleären [62] Gensequenzen auf mehrere Faktoren zurückzuführen sein könnte, wie z. B. Unterschiede in der Baumtopologie und angenommene Zeitbeschränkungen für jede Studie die intrinsische Dateneigenschaft von mitochondrialen und nuklearen Sequenzen und relativ schlechte Fossilien von Squamaten [47], die verwendet werden können, um die Divergenzen von Squamaten in der eigenen Gruppe präzise einzuschränken.

Trotz dieser etwas geringen Genauigkeit der Zeitschätzung deuten die Ergebnisse der molekularen Datierung (Abb. 4 [42]) durchweg darauf hin, dass Agamidae und Chamaeleonidae nach der mittel-späten Jura-Aufspaltung von Pangäa in Laurasia und Gondwanaland getrennt wurden (Abb. 6.2 .). ) und als die beiden letztgenannten Superkontinente durch Plattentektonik weiter fragmentiert wurden [63]. Geologische Daten deuten darauf hin, dass Indien und Madagaskar in der Unterkreide (120-130 MYA) (Abb. 6.3) vom Gondwanaland abgedriftet und in der Oberkreide voneinander getrennt wurden (

90 MYA)(Abb. 6.4)[63]. Dann bewegte sich Indien nach Norden und siedelte sich von der jüngsten Kreide bis zum Eozän an Eurasien an (Abb. 6.5)[63].

Unter der Annahme, dass Acrodonta aus Gondwana stammt, sind die Ergebnisse der molekularen Datierung (96-122 MYA aus Abb. 4 und

85 MYA aus [42] für die Divergenz von Agamenidae und Chamaeleonidae) stimmen mit der Ansicht überein, dass Agamidae auf der Landmasse Indiens/Madagaskars vicariant von Chamaeleonidae divergierten. Es kann weiterhin vermutet werden, dass Agamidae auf dem treibenden indischen Subkontinent nach Eurasien wanderten (Abb. 6.5), während Chamaeleonidae auf Madagaskar zurückgelassen wurde und ihre Nachkommen über den Mosambik-Kanal nach Afrika und später nach Eurasien wanderten (Abb. 6.6). Molekulare Datierungen (Abb. 4) legten nahe, dass noch vorhandene Chamaeleonid-Gattungen während des Känozoikums divergierten. Einige von ihnen werden exklusiv in Madagaskar vertrieben (Furcifer, Calumma und Brookesia), während die anderen in Afrika verbreitet sind (Rhampholeon/Rieppeleon und Bradypodion/Kinyongia/Nadzikambia) oder in Afrika + Eurasien (Chamäleo/Triozeros). Da Afrika und Madagaskar im Känozoikum klar voneinander getrennt waren [63], können generische Strahlungen von Chamäleoniden nicht mit der Gondwana-Vikarianz in Verbindung gebracht werden. Wie frühere Autoren postulierten [14, 15], haben Chamäleoniden wahrscheinlich mehrfach eine transmarine Ausbreitung über den Mosambik-Kanal erfahren. Nach unserem besten Wissen ist der älteste bestimmte Fossilienbestand von Chamaeleonidae Chamaeleo caroliquarti aus Westböhmen [64]. Afrika war lange Zeit von anderen Kontinenten isoliert, aber im Miozän mit Eurasien verbunden [63]. Somit stimmt das Vorkommen dieses Fossils im Miozän Europas mit der oben erwähnten biogeographischen Erklärung überein.

Molekulare Datierungen (Abb. 4) legten auch nahe, dass bestehende Agamen-Unterfamilien in der späten Kreidezeit voneinander abwichen. Wenn Agamidae, wie oben vermutet, nach Eurasien auf Indien ausgewandert ist, deutet das Datierungsergebnis darauf hin, dass subfamiliäre Strahlungen von Agamen auf dem treibenden indischen Subkontinent aufgetreten sind. Dies mag etwas unwahrscheinlich klingen, ist aber nicht unmöglich unter der Annahme, dass eine Reihe von alten Agamen-Linien ausgestrahlt, lokal in Asien verstreut und ausgestorben sind. Vastanagama susani und Tinosaurus indicus aus dem frühen Eozän Indiens sind als die frühesten bestimmten Agamenfossilien in Südasien bekannt [65].

Wie kann dann diese Hypothese, die auf dem gondwanischen Ursprung der bestehenden Akrodontengruppen beruht, mit der frühen Kreidezeit in Einklang gebracht werden? Xianglong und Priscagamid-Akrodonten der mittleren späten Kreidezeit aus Laurasian-Standorten (Zentralasien und Mongolei)? Xianglong und Priscagamiden sind Stängel-Akrodon-Eidechsen, die wahrscheinlich nicht in vorhandene Agamen verschachtelt sind, aber ihre genauen phylogenetischen Positionen sind noch nicht bekannt [56, 66]. Daher divergierten sie wahrscheinlich von einem langen Ast der Stammakrodonten 110-200 MYA (siehe Abb. 4). Bei diesen ausgestorbenen Gruppen kann es sich um laurasische Relikte akrodontischer Eidechsen handeln, die sich von den Gondwana-Akrodonten (d. Alternativ können sie einfach durch transmarine Verbreitung von den gondwananischen Vorfahren abgeleitet worden sein.


Eine Bewertung des Werts nuklearer und mitochondrialer Gene bei der Aufklärung des Ursprungs und der Evolution von Isotoma klovstadi Carpenter (Insecta, Collembola)

Um den Ursprung und die Entwicklung der antarktischen Collembola abzuleiten, ist eine korrekte phylogenetische Analyse erforderlich, die die Beziehungen zwischen antarktischen und nicht-antarktischen Arten darstellt. Eine vorläufige Bewertung des Werts von DNA-Sequenzen bei der Rekonstruktion phylogenetischer Beziehungen zwischen dem antarktischen Isotoma klovstadi und anderen nicht-antarktischen Arten wurde durch die Sequenzierung eines mitochondrialen Gens (Cytochrom-c-Oxidase, Untereinheit II) und zweier nuklearer Gene (ein Fragment des 28S rDNA und der Elongationsfaktor-1α). Abschätzungen der Heterogenität der Basenzusammensetzung ergaben, dass in den beiden Protein-kodierenden Genen (COII und EF-1α) die Stellen der 3. Codonposition kompositorisch sehr heterogen sind und die Analyse dieser beiden Gene daher nur an den Stellen der 1. und 2. Codonposition durchgeführt wurde. Phylogenetische Analysen mit Maximum Likelihood, Maximum Parsimony und Minimum Evolution zeigten, dass die COII- und die EF-1α-Gene besser geeignet sind als das D3-Fragment für die Rekonstruktion phylogenetischer Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Familie Isotomidae, zu der Isotoma und mehrere andere Gattungen der antarktischen Collembola gehören.


Nukleare und mitochondriale RNA-Editing-Systeme haben gegensätzliche Auswirkungen auf die Proteindiversität

RNA-Editierung kann Proteinprodukte ergeben, die sich von denen unterscheiden, die direkt von genomischer DNA kodiert werden. Dieser Prozess ist in den Mitochondrien vieler Eukaryoten weit verbreitet, wo er hauptsächlich zur Wiederherstellung der angestammten Proteinsequenzen führt. Auch nukleare mRNAs in Metazoen werden einer Bearbeitung unterzogen (Adenosin-zu-Inosin- oder „A-zu-I“-Substitutionen), und die meisten dieser Bearbeitungen scheinen nichtadaptive „Fehlzündungen“ von Adenosin-Deaminasen zu sein. Eine kürzlich durchgeführte Analyse von Kopffüßern-Transkriptomen ergab jedoch, dass viele Bearbeitungsstellen von altertümlich unterschiedlichen Abstammungslinien innerhalb dieser Gruppe geteilt werden, was darauf hindeutet, dass sie eine adaptive Rolle spielen. Neuere Entdeckungen haben auch gezeigt, dass einige Pilze einen unabhängig entwickelten A-to-I-Editierungsmechanismus haben, der zu einer umfassenden Neucodierung ihrer Kern-mRNAs führt. Hier wurden phylogenetische Vergleiche verwendet, um zu bestimmen, ob die RNA-Editierung im Allgemeinen angestammte Proteinsequenzen wiederherstellt oder abgeleitete Varianten erzeugt. Anders als in mitochondrialen Systemen führt die RNA-Editierung in nuklearen Transkripten von Metazoen und Pilzen überwiegend zu neuen Sequenzen, die in abgeleiteten Vorfahrenproteinen nicht gefunden werden. Selbst für die Untergruppe der RNA-Editing-Stellen, die von stark divergenten Kopffüßer-Linien geteilt werden, ist der primäre Effekt der nuklearen Editierung eine Zunahme – nicht eine Abnahme – der Proteindivergenz. Diese Ergebnisse deuten auf grundlegende Unterschiede in den Kräften hin, die für die Evolution der RNA-Editierung in nuklearen vs. mitochondrialen Systemen verantwortlich sind.

1. Einleitung

Das „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ besagt, dass in der DNA gespeicherte genetische Informationen in funktionelle Proteine ​​entschlüsselt werden, wobei Boten-RNAs (mRNAs) als treue Zwischenstufen fungieren. Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass die RNA-Editierung zu Aminosäuresequenzen führen kann, die sich von denen im Genom kodierten unterscheiden [1]. Die Bearbeitung kann sowohl einzelne Basenersetzungen als auch kurze Indels beinhalten. Solche Veränderungen sind oft wichtig für die richtige Zell- und Organismusfunktion, da eine Unterbrechung der Bearbeitung schädliche und sogar tödliche phänotypische Folgen haben kann [2,3]. Es ist jedoch weniger klar, ob das Editieren in dem Sinne als adaptiv angesehen werden kann, dass es einen gewissen Fitnessvorteil gegenüber der direkten Codierung korrigierter Sequenzen in genomischer DNA bietet. Viele adaptive Hypothesen wurden aufgestellt (z. B. in Bezug auf Mutationspufferung, Genregulation, Proteomdiversifizierung und genomische GC-Inhaltsoptimierung), aber auch nicht-adaptive Mechanismen für die Proliferation von Editierstellen wurden beschrieben [4].

Einige Einblicke in die Ursprünge und Aufrechterhaltung der mRNA-Editierung können durch die Untersuchung ihrer Auswirkungen auf die Proteinkonservierung und -diversität gewonnen werden. Das Editieren ist gut untersucht und in den Mitochondrien verschiedener Eukaryoten, einschließlich Landpflanzen, Trypanosomen, Diploniden, Dinoflagellaten, Heteroloboseen, Myxomyceten und einigen Metazoen, häufig weit verbreitet [1,5–7]. Das Editieren in diesen mitochondrialen Systemen ist im Allgemeinen restaurativ, was bedeutet, dass es dazu neigt, ahnungsähnliche Proteinsequenzen zu produzieren, die den Homologen in anderen Eukaryoten stärker ähneln [1]. Tatsächlich besteht eine einfache und effektive Methode zur Vorhersage von mRNA-Editierungsstellen in Landpflanzenorganellengenomen (wo die Cytidin-zu-Uridin- oder „C-zu-U“-Editierung üblich ist) darin, Gene nach Stellen zu scannen, an denen sich C-zu-T ändert würde die Konservierung der Proteinsequenz bei verwandten Arten erhöhen [8]. Die restaurativen Effekte in Systemen mit Insertional Editing sind noch dramatischer, weil sie im Allgemeinen verschobene Leserahmen „korrigieren“, die ansonsten völlig unverwandte Proteine ​​produzieren würden. In vielen Fällen ist die mitochondriale mRNA-Bearbeitung so umfangreich, dass die unbearbeiteten Gensequenzen im Wesentlichen nicht wiederzuerkennen sind [6].

Metazoen haben ein nukleares RNA-Editing-System, in dem Adenosin-zu-Inosin (A-zu-I) Substitutionen durch eine bestimmte Klasse von Adenosin-Deaminasen, bekannt als ADARs, eingeführt werden [2]. Während der Translation wird Inosin als Guanosin gelesen, sodass die A-zu-I-Bearbeitung zu Änderungen der Aminosäuresequenzen führen kann. Die Auswirkungen der nuklearen A-zu-I-Editierung auf die Proteinkonservierung sind weniger klar als die der oben beschriebenen mitochondrialen Systeme. Die A-zu-I-Editierung wird oft als ein Mechanismus beschrieben, der das Proteom diversifiziert [9], aber es wurde auch argumentiert, dass sie bevorzugt an Stellen wirkt, die eine historische G-zu-A-Änderung auf genomischer Ebene erfahren haben und dadurch die Vorfahren wiederherstellen Proteinsequenzen [10,11]. Beobachtete Muster der mRNA-Editierung beim Menschen haben zu dem Schluss geführt, dass Veränderungen in proteinkodierenden Sequenzen im Allgemeinen nicht adaptiv sind. Sehr wenige Editing-Sites werden mit anderen Säugetieren geteilt [10], und Editing scheint häufiger an Stellen zu erfolgen, die funktionell weniger wichtig sind (z . Es wird angenommen, dass sich diese Schlussfolgerung auch auf andere Metazoen-Systeme erstreckt, aber neuere Forschungen haben gezeigt, dass die A-zu-I-mRNA-Editierung bei koleoiden Kopffüßern viel umfangreicher und möglicherweise anpassungsfähiger ist [13]. Bemerkenswert ist, dass einige identifizierte Bearbeitungsorte sogar von Vertretern divergenter Kopffüßergruppen geteilt werden, die sich über Hunderte von Millionen Jahren der Evolution erstrecken (z. B. Oktopus, Tintenfisch und Tintenfisch) [14].

Die A-to-I-Editierung von nuklearen mRNAs wurde auch bei der Pilzgattung entdeckt Fusarium [15] und andere filamentöse Ascomyceten [16], mit großen vorhergesagten Auswirkungen auf Proteinsequenzen während der sexuellen Entwicklung. Interessanterweise scheint sich dieses RNA-Editierungssystem unabhängig entwickelt zu haben, da Pilzen ADARs fehlen, die für die mRNA-Editierung in Metazoen verantwortlich sind.

Hier werden die Konsequenzen für die Proteindiversität, die sich aus der A-to-I-Editierung von nuklearen mRNA-Transkripten in Metazoen- und Pilzlinien ergeben, mit den gut dokumentierten restaurativen Wirkungen in mitochondrialen Systemen verglichen. Diese Analyse zeigt, dass nukleare und mitochondriale Editiersysteme auffallend gegensätzliche Auswirkungen auf die Proteinkonservierung haben. Anstatt die Proteinsequenzen der Vorfahren wiederherzustellen, führt die überwiegende Mehrheit der A-zu-I-mRNA-Editierungen evolutionär abgeleitete Aminosäureänderungen ein.

2. Material und Methoden

Veröffentlichte Datensätze wurden für die A-to-I-Editierung von Kerntranskripten in vier Fokusspezies erhalten:Homo sapiens [12], Drosophila melanogaster [17], Oktopus bimaculoides [14] und Fusarium graminearum [15] – und für die C-to-U-Editierung von mitochondrialen Transkripten in den Angiospermen Arabidopsis thaliana [18]. Für jede Spezies wurden editierte Proteinsequenzen mit NCBI BLAST v. 2.2.30+ entweder auf Protein- (blastp) oder Genom/Transkriptom- (tblastn) Datenbanken von zwei aufeinanderfolgenden Fremdgruppenspezies (Tabelle 1) kartiert, um die Aminosäurezustände an orthologen Positionen zu identifizieren . Es wurde zuvor gezeigt, dass die ausgewählten Metazoen-Außengruppen einen vernachlässigbar kleinen Anteil an Editierstellen mit den fokalen Arten teilen [10,14,17] und der Anteil gemeinsamer Editierstellen scheint auch bei filamentösen Pilzen sehr gering zu sein [16]. BLAST-Suchen und Extraktion von Sequenzinformationen wurden mit benutzerdefinierten BioPerl-Skripten automatisiert. Die Analyse wurde auf nicht-synonyme Editierstellen beschränkt, bei denen beide Fremdgruppen dieselbe Aminosäure teilen, so dass der Vorfahrenzustand sicher abgeleitet werden konnte. Die Bearbeitung wurde als „wiederherstellend“ oder „diversifizierend“ definiert, wenn die Aminosäure der Vorfahren dem bearbeiteten bzw. unbearbeiteten Zustand entsprach. Stellen wurden ausgeschlossen, wenn sich sowohl der bearbeitete als auch der unbearbeitete Zustand von der angestammten Aminosäure unterschieden (elektronisches Ergänzungsmaterial, Tabelle S1). Die statistische Analyse wurde in R v. 3.3.3 durchgeführt (siehe elektronisches Ergänzungsmaterial, Methoden).

Table 1. Fokale Spezies und Fremdgruppen zur Analyse der RNA-Editierung und Rekonstruktion von Vorfahrenzuständen.

3. Ergebnisse

Analyse von C-to-U-Editing-Sites in A. thaliana bestätigten, dass die mRNA-Editierung in Pflanzenmitochondrien im Allgemeinen die Proteinähnlichkeit zwischen den Taxa erhöht. An 98,0 % der analysierten Stellen stellt die Bearbeitung die Aminosäure wieder her, die in zwei Grünalgen-Außengruppen gefunden wurde (Abbildung 1). Umgekehrt ersetzen nur 2,0 % dieser Änderungen den angestammten Zustand durch eine abgeleitete Aminosäure, die sich von den beiden Fremdgruppen unterscheidet. Die Auswirkungen der A-zu-I-Kern-mRNA-Editierung bei Metazoen sind dramatisch unterschiedlich. Nur ein kleiner Bruchteil der analysierten A-zu-I-Stellen führt zur Wiederherstellung des angestammten Zustands: 0,6 %, 4,1 % und 5,9 % in D. melanogaster, H. sapiens und O. bimaculoides, bzw. (Abbildung 1).

Abbildung 1. Unterschiede in den Raten restaurativer Veränderungen für die nukleäre A-zu-I-Bearbeitung bei vier verschiedenen Spezies und die mitochondriale C-zu-U-Bearbeitung bei Angiospermen Arabidopsis. Während die mRNA-Editierung in den meisten mitochondrialen Systemen (einschließlich Landpflanzen, wie hier gezeigt) im Allgemeinen ahnungsähnliche Proteinsequenzen wiederherstellt, ist die nukleäre A-to-I-Editierung selten restaurativ. Beschriftung basiert auf post hoc Vergleiche jeder paarweisen Kombination von Arten (elektronisches Ergänzungsmaterial, Methoden). Arten, die keinen gemeinsamen Buchstaben haben, unterscheiden sich erheblich voneinander. Fehlerbalken repräsentieren zwei Standardfehler des Anteils. Die Anzahl der analysierten Sites ist in Klammern angegeben.

RNA-Editierung ist besonders häufig bei koleoiden Kopffüßern vorhanden, und frühere Analysen von O. bimaculoides hat gezeigt, dass die meisten ihrer Editierstellen entweder für diese Art einzigartig sind oder nur mit ihren eng verwandten Artgenossen geteilt werden O. vulgaris [14]. Es wurde jedoch festgestellt, dass ein kleiner Teil der Bearbeitungsorte mit anderen altertümlich divergenten Linien von Coleoid-Kopffüßern geteilt wurde [14]. Diese gemeinsamen Stellen, die die wahrscheinlichsten Kandidaten darstellen, die funktionell wichtige Rollen spielen, weisen auch eine geringe Rate an restaurativen Veränderungen auf. Tatsächlich, in O. bimaculoides, sinkt das Verhältnis von restaurativen zu diversifizierenden Veränderungen auf noch niedrigere Werte für die Bearbeitungsorte, die weiter mit anderen Kopffüßern geteilt werden (Abbildung 2ein Tabelle 2).

Figur 2. Oktopus bimaculoides Bearbeitungsseiten wurden danach unterschieden, ob sie nur in O. bimaculoides („einzigartig“), geteilt mit dem Artgenossen O. vulgaris aber nicht mit anderen Kopffüßern („Oktopus“), geteilt mit dem Tintenfisch Doryteuthis pealeii aber nicht mit allen beprobten Kopffüßern („Oktenfisch“) oder mit allen beprobten Kopffüßern („Kopffüßer“) geteilt [14]. (ein) Der Anteil der Bearbeitungen, die die angestammte Proteinsequenz wiederherstellen, nimmt für Klassen von Bearbeitungsstellen ab, die von Kopffüßern weiter verbreitet sind. (B) Weiter verbreitete Sites haben auch eine höhere Bearbeitungsfrequenz (d. h. ein größerer Prozentsatz der Transkripte wird auf dieser Site bearbeitet) [14]. Innerhalb jeder Gruppe haben jedoch Bearbeitungen, die die angestammte Aminosäure wiederherstellen, eine höhere durchschnittliche Bearbeitungshäufigkeit als diejenigen, die zu einer abgeleiteten Änderung führen. Fehlerbalken repräsentieren einen Standardfehler des Anteils (ein) oder des Mittelwerts (B). Die Anzahl der analysierten Sites ist in Klammern angegeben.

Tabelle 2. Logit-Modell, das die Wahrscheinlichkeit vorhersagt, dass eine Bearbeitung restaurativ ist, basierend auf der Bearbeitungshäufigkeit an der Stelle und dem Ausmaß der phylogenetischen Erhaltung der Bearbeitungsstelle. Der Bearbeitungsgrad wird in Prozent (0–100) ausgedrückt, und die phylogenetischen Erhaltungsparameter werden relativ zur am weitesten verbreiteten Kategorie „Kopffüßer“ ausgedrückt (Abbildung 2).

Neben den niedrigen Restorative Editing-Raten sind die am weitesten verbreiteten Editing-Klassen in O. bimaculoides zuvor gezeigt, dass sie den höchsten Bearbeitungsgrad aufweisen (d. h. der Anteil der Transkripte, die an einer bestimmten Stelle bearbeitet werden) [14] (Abbildung 2B). Insgesamt werden jedoch Editierstellen, die den angestammten Aminosäurezustand wiederherstellen, im Durchschnitt auf einem signifikant höheren Niveau (11,9 %) editiert als diejenigen, die eine abgeleitete Änderung erzeugen (9,2 % Tabelle 2). Dieser Effekt wird durch den höheren Bearbeitungsgrad an restaurativen Standorten innerhalb jeder der phylogenetischen Konservierungsklassen getrieben – insbesondere für Bearbeitungsstandorte, die einzigartig für . sind O. bimaculoides oder nur innerhalb der . geteilt Tintenfisch Gattung (Abbildung 2B).

Obwohl die A-to-I-Editierung in filamentösen Pilzen evolutionär unabhängig vom ADAR-System in Metazoen zu sein scheint, ist der Pilz F. graminearum weist ähnlich niedrige Raten der restaurativen Bearbeitung auf. Nur 4,6% der analysierten A-to-I-Sites in F. graminearum Kern-mRNAs führen zur Wiederherstellung des angestammten Zustands (Abbildung 1).

4. Diskussion

Frühere Forschungen zur A-zu-I-mRNA-Editierung bei Metazoen führten zu der Schlussfolgerung, dass „die Bearbeitung das RNA-Gedächtnis auf evolutionären Zeitskalen vermitteln kann, um die genetische Information der Vorfahren zu erhalten“ [11] und „die Bearbeitung als Mechanismus dient, um einen verursachten Phänotypverlust zu kompensieren durch G-zu-A-Evolution“ [10]. Diese Studien haben gezeigt, dass A-zu-I-Editierungsstellen eher eine vorherige G-zu-A-Änderung der DNA-Sequenz erfahren haben als eine C-zu-A- oder T-zu-A-Änderung. Solche Muster sind wichtig, können aber größtenteils durch die Tatsache erklärt werden, dass Orte, die historisch gesehen ein G beherbergten, dazu neigen, eine A-to-I-Editierung eher freizügiger zu machen [12]. Aus dieser Perspektive könnte die Konzentration auf die Rolle der A-zu-I-Bearbeitung bei der Umkehrung von G-zu-A-Mutationen wohl das Gesamtbild verfehlen, dass es bei der A-zu-I-Bearbeitung viel häufiger vorkommt, neue, abgeleitete Aminosäuren einzuführen als um die Proteinsequenzen der Vorfahren wiederherzustellen (Abbildung 1). Die vorliegende Analyse hat gezeigt, dass dieses Muster nicht nur für verschiedene Metazoen-Linien gilt, sondern auch für einen unabhängigen Ursprung der A-to-I-Kern-Editierung in Pilzen.

Dieses Merkmal der nukleären mRNA-Editierung unterscheidet sie von mitochondrialen Editiersystemen, die im Allgemeinen restaurative Wirkungen auf Proteinsequenzen haben. Solche Effekte werden hier durch die C-to-U-Editierungen in mitochondrialen Genomen von Landpflanzen veranschaulicht (Abbildung 1), aber sie wurden in zahlreichen mitochondrialen Systemen dokumentiert [1,5–7]. Die gegensätzlichen Effekte der nuklearen A-zu-I-Editierung können teilweise mechanistische Unterschiede widerspiegeln. In vielen mitochondrialen Systemen gibt es eine (relativ) genaue Bestimmung von Bearbeitungsstellen basierend auf trans-Wirkfaktoren oder streng cis Sequenzmotive [19], während die für die A-to-I-Editierung in Metazoen verantwortlichen Adenosindesaminasen eine begrenzte Spezifität zu haben scheinen. Das Profil der A-zu-I-Kern-mRNA-Editierung wird auch von Stellen mit geringer Editierhäufigkeit dominiert. Analyse der O. bimaculoides Das Transkriptom identifizierte Zehntausende von Editierstellen in proteinkodierenden Sequenzen [14], aber der mediane Editiergrad betrug nur 3,4 %. Selbst bei Kopffüßern, wo es Hinweise darauf gibt, dass die A-zu-I-Editierung von proteinkodierenden Sequenzen eine größere und adaptivere Rolle spielt als bei anderen Metazoen [13,14], ist es wahrscheinlich, dass die meisten identifizierten Editierungsstellen dennoch die Ergebnis einer nicht adaptiven Aktivität außerhalb des Ziels.

Trotzdem können die Unterschiede zwischen mitochondrialen RNA-Editing-Systemen und nuklearen A-to-I-Editing nicht ausschließlich auf Unterschiede in der Enzympromiskuität zurückgeführt werden. Die Raten restaurativer Veränderungen sind auch für die Untergruppe der A-to-I-Sites, die auf hohem Niveau bearbeitet und von entfernten Verwandten geteilt werden, extrem niedrig (Abbildung 2). Eine führende Hypothese zur Erklärung der Verbreitung von RNA-Editierung ist, dass die Existenz von Editierungsaktivitäten die neutrale Verbreitung durch genetische Drift von ansonsten schädlichen Mutationen erleichtert. Bei Erreichen der Fixierung würden solche Mutationen die vormals nichtadaptive Editieraktivität zu einer funktionellen Notwendigkeit machen [4]. Dieses nichtadaptive Modell, das heute als „konstruktive neutrale Evolution“ [20] bekannt ist, liefert eine überzeugende Erklärung für die umfangreiche restaurative Bearbeitung in mitochondrialen Genomen, passt aber anscheinend schlecht zu den Bearbeitungsmustern in nuklearen Genen. Stattdessen ist es wahrscheinlich, dass die Evolution der nuklearen A-to-I-Editierung und ihre Auswirkungen auf wichtige funktionelle Stellen in proteinkodierenden Sequenzen auf konventionellere adaptive Erklärungen zurückgeführt werden können, die mit der Regulierung und Erweiterung der Proteomdiversität verbunden sind.

Datenzugänglichkeit

Standort-für-Standort-Daten werden als elektronisches Zusatzmaterial bereitgestellt, Datei S1.


Ergebnisse

Stämme und ihr genetischer Ort

Sieben geografische Isolate von C. reinhardtii wurden in dieser Studie verwendet, ihre Stammnummern, Paarungsarten, Herkunft der Isolierung und Stammabkürzungen sind in Tabelle 1 dargestellt 7 Isolate. Eine genetische Karte der C. reinhardtii das mitochondriale Genom ist in Abbildung 1 gezeigt, und partielle genetische Karten der 7 Kerngene sind in Abbildung 2 gezeigt. Wir haben die gesamte mtDNA sequenziert, um sowohl intergene Regionen als auch synonyme Stellen in unseren Berechnungen von πLeise – Frühere Studien zur genetischen Diversität in mitochondrialen Genomen haben aufgrund eines Mangels an intraspezifischen Sequenzdaten tendenziell nur synonyme Stellen für die Schätzung verwendet πLeise. Darüber hinaus können ganze mtDNA-Sequenzen aus C. reinhardtii ermöglichen den Vergleich der Nucleotiddiversität synonymer Stellen (πsyn) in den standardmäßigen mitochondrialen Protein-kodierenden Genen zu denen von rtl, ein mitochondrialer offener Leserahmen (ORF) im C. reinhardtii mtDNA, die für ein mutmaßliches Reverse-Transkriptase-ähnliches Protein kodiert [15]. Es wurde vorgeschlagen, dass synonyme Websites in rtl weniger selektiven Beschränkungen unterliegen als die standardmäßigen mtDNA-Protein-kodierenden Gene und dass sie möglicherweise besser geeignet sind, die neutrale Mutationsrate im mitochondrialen Kompartiment abzuschätzen [7]. Für die nuklearen Loci haben wir eher Introns als Exons sequenziert, weil angenommen wird, dass im C. reinhardtii Intronische Stellen des Kerngenoms entwickeln sich neutraler als synonyme Stellen und können zuverlässigere Schätzungen der neutralen Mutationsrate liefern [6]. Sequenzen für zwei der Kernloci aus den 7 Isolaten wurden bereits früher beschrieben [16–18], was uns erlaubt, sowohl unsere Stammzuordnungen als auch die Sequenzierungsmethoden zu bestätigen.

Genetische Karte der Chlamydomonas reinhardtii mitochondriales Genom, einschließlich aller derzeit identifizierten optionalen Introns. Protein-kodierende Regionen und Regionen, die strukturelle RNAs kodieren, sind rot bzw. orange. S1–S4 repräsentieren die rRNA-kodierenden Module der kleinen Untereinheit L1–L8 repräsentieren die rRNA-kodierenden Module der großen Untereinheit. Die terminalen invertierten Wiederholungen (IR) sind schwarz. Intronische Regionen und ihre offenen Leserahmen sind in ihren zugehörigen Genen blau eingerahmt. Die C. reinhardtii Stämme (Tabelle 1), in denen die verschiedenen Introns vorkommen, sind in Klammern markiert. Durchgezogene Pfeile bezeichnen die Transkriptionspolaritäten. Hinweis: Aufgrund des Vorhandenseins/Fehlens von Introns unter den verschiedenen Stämmen ist die Größe der C. reinhardtii Das mitochondriale Genom kann von 15.782 nt bis 18.990 nt variieren.

Partielle genetische Karten der 7 Chlamydomonas reinhardtii nuklearkodierte Gene, die in der Analyse verwendet werden. Das Segment in Klammern unter jeder Karte stellt die Region dar, die PCR-amplifiziert wurde. Links von jeder Karte ist der Name des Gens, die ungefähre Größe der Region, die durch PCR amplifiziert wurde, und die Position des Gens innerhalb des C. reinhardtii Kerngenom – Standorte basieren auf der C. reinhardtii Entwurf der Nukleargenomsequenz Version 3.0 [8]. Exons sind rot, sie sind mit einem "E" und einer Zahl gekennzeichnet, die ihre Position innerhalb des Gens angibt. Introns sind blau und mit einer römischen Ziffer gekennzeichnet, die ihre Position innerhalb des Gens angibt. Hinweis: Jedes dieser Gene ist nur einmal im C. reinhardtii nukleares Genom.

Wir konnten die komplette mtDNA-Sequenz aus einem 8. Stamm von C. reinhardtii (CC-503) durch Sammeln und Zusammensetzen von mtDNA-Sequenzen, die aus den C. reinhardtii Nukleargenom-Sequenzierungsprojekt [8, 19]. Beide C. reinhardtii CC-503 und C. reinhardtii CC-277 (eines der 7 in Tabelle 1 beschriebenen Isolate) sind zellwandlose Mutanten, die aus dem gleichen "Ebersold-Levine"-Wildtyp-Hintergrund von . gewonnen wurden C. reinhardtii, aber sie sind seit mindestens 35 Jahren getrennt [20]. Die mtDNA-Sequenz von C. reinhardtii CC-503 ist identisch mit dem von C. reinhardtii CC-277 und als wir die Sequenzen der 7 nuklearen Loci heruntergeladen haben für C. reinhardtii CC-503, auch sie waren identisch mit denen von C. reinhardtii CC-277. Daher werden wir für die Zwecke dieser Studie berücksichtigen C. reinhardtii MA-1 als Synonym für C. reinhardtii CC-277 und CC-503.

Vor dieser Studie wurde eine vollständige mtDNA-Sequenz für C. reinhardtii war bereits verfügbar (Genbank Zugangsnummer NC_001638) diese Sequenz, die aus den kumulierten Bemühungen mehrerer Parteien resultierte, stammte größtenteils von C. reinhardtii CC-277, oder in einigen Fällen von Stämmen mit dem gleichen genetischen Hintergrund wie C. reinhardtii CC-277. Die mtDNA-Sequenz von C. reinhardtii Das hier vorgestellte CC-277 unterscheidet sich an 46 Positionen relativ zu NC_001638, da 44 dieser 46 Unterschiede auch in der mtDNA der anderen sechs vorhanden sind C. reinhardtii hier beschriebene Isolate und weil die C. reinhardtii Es wurde gezeigt, dass die mtDNA-Sequenz von CC-277 aus dieser Studie identisch mit der C. reinhardtii CC-503 mitochondriales Genom, glauben wir, dass unsere Version des C. reinhardtii CC-277 mtDNA ist derzeit die genaueste und dass die Diskrepanzen zwischen unserer Sequenz und NC_001638 das Ergebnis von Sequenzierungsfehlern in letzterem sind.

Es ist wichtig zu beachten, dass unsere Anmerkung zu den C. reinhardtii Das mitochondriale Genom (Abbildung 1) enthält nicht die sogenannten rRNA-kodierenden Module L2b und L3a. In früheren Studien wurde angenommen, dass jedes dieser Module für eine Nicht-Kern-Region der rRNA der großen Untereinheit (LSU) kodiert [21]. Da jedoch Sequenzhomologe von L2b und L3a in der mtDNA von nahen Verwandten von C. reinhardtii [7, 22, 23] oder in jedem anderen Genom haben wir diese Regionen als intergene DNA klassifiziert und sie für alle genetischen Analysen als solche behandelt.

Nukleotid-Diversität

Zusammenfassende Statistik der Nukleotiddiversität in C. reinhardtii sind in Tabelle 2 aufgeführt. Zwei Messungen der Nukleotiddiversität wurden verwendet, um die Variation innerhalb der zu berechnen C. reinhardtii mitochondriale und nukleäre Genome: π, das ist die durchschnittliche Anzahl von paarweisen Nukleotidunterschieden pro Stelle zwischen Sequenzen in einer Probe [24], und θW, die auf der Anzahl der polymorphen Stellen in einer Stichprobe von Sequenzen basiert, aber unabhängig von deren Häufigkeit ist [25]. In Bezug auf beide Maße zeigt das nukleäre Kompartiment eine signifikant größere Nucleotiddiversität an stillen Stellen als das mitochondriale Kompartiment: Nettowerte von πLeise für die Kern-DNA und mtDNA betrugen 31,96 × 10 –3 bzw. 8,54 × 10 –3 . Nettowerte von θW an stillen Stellen sind mit 33,02 × 10 –3 für das nukleäre Kompartiment und 9,18 10 –3 für das mitochondriale Kompartiment etwas höher. In allen Fällen zeigen stille Stellen in den verschiedenen Kernloci mehr Diversität als die stillen Stellen im mitochondrialen Kompartiment. Die einzige Ausnahme hiervon ist das Kerngen CBLP, die weniger synonyme Site-Vielfalt hat (πsyn = 2,77 × 10 –3 ) als die der mitochondrialen Protein-kodierenden Regionen. Innerhalb des mitochondrialen Kompartiments ist die Diversität an intergenen und synonymen Stellen ähnlich (8,92 × 10 –3 vs. 8,52 × 10 –3), ebenso wie die Diversität der proteinkodierenden Regionen und Regionen, die für strukturelle RNAs kodieren (2,06 × 10 –3 vs 2,42 × 10 –3 ). Das mitochondriale Gen rtl, das für eine mutmaßliche reverse Transkriptase kodiert, zeigt mehr Diversität als die anderen mitochondrialen Protein-kodierenden Gene, wenn alle 3 Codon-Sites berücksichtigt werden (3,07 × 10 -3 vs. 2,06 × 10 -3 ) und etwas weniger Diversität, wenn nur synonyme Stellen betrachtet werden (7,88 × 10 –3 vs. 8,52 × 10 –3 ) jedoch ist es unwahrscheinlich, dass diese Beobachtungen statistisch signifikant sind.

Einfügungen und Löschungen

Sowohl für das nukleäre als auch für das mitochondriale Kompartiment stellen Insertionen und Deletionen (Indels) einen großen Anteil der beobachteten Polymorphismen dar (Tabelle 2). In unseren Ausrichtungen der Kernloci aus den 7 verschiedenen Stämmen von C. reinhardtii, 36% der fehlgepaarten Nukleotide resultieren aus Indels. Die Kernindel sind 1–31 Nukleotide (nt) lang und haben eine durchschnittliche Größe von 4,5 nt. Im mitochondrialen Kompartiment repräsentieren Indel 20 % der fehlgepaarten Nukleotide. Die mitochondrialen Indel sind 1–6 nt lang und haben eine durchschnittliche Größe von 2,5 nt. Es ist wichtig anzumerken, dass unsere in Tabelle 2 gezeigten Schätzungen der Nukleotiddiversität von Stellen im Alignment abgeleitet sind, an denen alle sieben Stämme von C. reinhardtii ein Nukleotid aufweisen, daher wurden Stellen, die Indels entsprechen, aus dem Alignment entfernt. Wenn unsere Methoden zur Berechnung von π modifiziert werden, um Indels einzuschließen (indem jede Lücke im Alignment als Nukleotidänderung gezählt wird), werden die Gesamtwerte von πLeise im nuklearen und mitochondrialen Kompartiment werden 49,27 × 10 –3 (± 4,89 × 10 –3) bzw. 10,93 × 10 –3 (± 1,96 × 10 –3).

Prüfung auf Neutralität

An den mitochondrialen und nuklearen Datensätzen wurden zwei statistische Tests durchgeführt, um Spuren der Selektion zu untersuchen: Tajimas D-Test, der die durchschnittliche Anzahl der Nukleotidunterschiede zwischen Sequenzpaaren mit der Gesamtzahl der Segregationsstellen vergleicht [24], und der McDonald-Kreitman-Test, der das Verhältnis von nicht-synonymen zu synonymen Unterschieden, die innerhalb einer Spezies beobachtet werden, mit denen zwischen beobachteten vergleicht Arten [26]. Tajimas D ist in allen Fällen in Bezug auf das mitochondriale Kompartiment und in den meisten Fällen in Bezug auf das nukleäre Kompartiment leicht negativ, jedoch leicht positiv für einige der nuklearen Loci (die Exons von MAT3 und PDK, und die Introns von CBLP, PETC, PDK, und AKTIN) (Tabelle 2). In keinem Fall ist Tajimas D-Test statistisch signifikant. Der McDonald-Kreitman-Test wurde durchgeführt, indem das Verhältnis von nicht-synonymen zu synonymen Polymorphismen innerhalb von verglichen wurde C. reinhardtii zum Verhältnis von nicht synonymen zu synonymen festen Unterschieden zwischen C. reinhardtii und Chlamydomonas incerta (einer der nächsten bekannten nicht-interfertilen Verwandten von C. reinhardtii [27]) (Tabelle 3) – dies wurde für alle in dieser Studie untersuchten proteinkodierenden Regionen durchgeführt. Insgesamt wurden für keinen der mitochondrialen oder nuklearen Loci signifikante Abweichungen von neutralen Erwartungen festgestellt, und in keinem Fall ist der McDonald-Kreitman-Test statistisch signifikant.

Mitochondriale Introns

Drei der C. reinhardtii Stämme (PA-1, MA-2 und FL) haben Introns in ihrer mtDNA (Abbildung 1). C. reinhardtii MA-2 hat ein einzelnes Intron, eingefügt in Kolben C. reinhardtii FL hat 2 Introns, eines im L5-rRNA-kodierenden Modul (das L5-Intron) und eines im L7-rRNA-kodierenden Modul (das L7-Intron) und C. reinhardtii PA-2 hat 3 Introns, zwei in Steuermann1 und das L5-Intron (Anmerkung: die DNA-Sequenz des L5-Introns in C. reinhardtii PA-2 ist identisch mit dem von C. reinhardtii FL). Von diesen Introns nur das von Kolben in C. reinhardtii MA-2 wurde bereits beschrieben [13]. Wie das Intron von Kolben in C. reinhardtii MA-2, weist jedes der 4 hier vorgestellten Introns einen ORF auf, dessen abgeleitete Aminosäuresequenz Ähnlichkeit mit einer Endonuklease vom LAGLIDADG-Typ zeigt. RT-PCR-Experimente bestätigen, dass alle fünf Introns, einschließlich ihrer ORFs, in reife Transkripte ausgespleißt sind. Die Sekundärstrukturmodellierung legt nahe, dass die beiden Introns in Steuermann1 sind Gruppe-I-Introns, die zur Untergruppe D gehören. Unsere Analysen der L5- und L7-Introns legen nahe, dass ihnen die Kernsequenz und die potentielle Sekundärstruktur fehlt, die notwendig sind, um entweder als Gruppe-I- oder Gruppe-II-Intron klassifiziert zu werden gelten als hochentartete "nicht klassifizierte" Introns. Ein 35-nt duplizierter Teil des L5-rRNA-kodierenden Moduls wird innerhalb des 5'-Endes der L5-Intron-RT-PCR-Experimente gefunden, die bestätigen, dass dieses Segment tatsächlich eine Komponente des Introns ist. Die Insertionsstellen der L5- und L7-Introns innerhalb des C. reinhardtii mtDNA und die Art der Wiederholung innerhalb des L5-Introns sind in den Abbildungen 3A, B bzw. 3C beschrieben. Die Insertionsstellen der L5- und L7-Introns im Zusammenhang mit dem C. reinhardtii Die LSU-rRNA-Sequenz ist in 3D gezeigt.

Schema der Introns in den L5- und L7-rRNA-kodierenden Modulen. Die vertikalen Pfeile in EIN zeigen die Intron-Insertionsstellen innerhalb der C. reinhardtii mtDNA. B und C stellen die Introns in den L5- und L7-rRNA-kodierenden Modulen dar, bzw. rRNA-kodierende Regionen sind orange Introns sind hellblau intronische offene Leserahmen sind in ihren jeweiligen Introns dunkelblau umrandet L5-frag bezieht sich auf ein dupliziertes Segment des L5 -rRNA-kodierendes Modul (die ersten 35 nt des Moduls sind dupliziert) Eingeklammerte Teile der Karte repräsentieren Regionen, von denen gezeigt wurde, dass sie in reifen Transkripten herausgespleißt wurden. D zeigt die Intron-Insertionsstellen im Kontext der ribosomalen RNA-Sequenz der großen Untereinheit (LSU) von C. reinhardtii Pfeile zeigen auf die Region, in der die Introns eingefügt sind Zahlen über den Pfeilen bezeichnen die Position des Rests, der der Insertionsstelle unmittelbar vorangeht: Zahlen ohne Klammern entsprechen dem Rest im 23S-rRNA-Gen von Escherichia coli [44] und Zahlen in Klammern entsprechen dem Rest im LSU-rRNA-Sekundärstrukturmodell von Boer und Gray [21]. Beachten Sie das C. reinhardtii Stämme, in denen diese Introns vorkommen, sind in Abbildung 1 dargestellt.


So analysieren Sie Ihr Genom Teil I – Mitochondriale DNA

Native Struktur der menschlichen MT-Cyb-Proteinuntereinheit. Bildnachweis: proteinmodelportal.org

Die Genomanalyse ist heute im Grunde blind. Es geht in der Regel durch eine zufällige Untersuchung einiger möglicher Varianten, die nur lose mit einer Krankheit oder einem körperlichen Merkmal in Verbindung stehen. Sofern Sie nicht bereits ein schwerwiegendes gesundheitliches Problem haben, wird diese Art von eng fokussiertem Crapshoot wahrscheinlich kein Game Changer für Sie sein.

In dieser Lücke möchten wir einen methodischeren Ansatz anbieten – eine einfache Formel, um Genome an ihren kritischen Punkten logisch zu analysieren und zuverlässige physiologische Prädiktoren zu etablieren, die für jeden relevant sind. Aber zuerst ist ein wenig Hintergrund erforderlich.

Unsere Genome sind Hybriden, die von Viren und Bakterien aufgebaut wurden. Wir haben zwei davon, ein großes Genom und ein kleines. Die Bioinformatik im Allgemeinen hat die einfache mitochondriale DNA (mtDNA) mit 16500 Positionen größtenteils ignoriert und sich stattdessen fast ausschließlich auf die komplexe nukleare DNA mit 3 Milliarden Positionen (nucDNA) konzentriert. Wie wir sehen werden, ist dies völlig rückständig.

Mit Ausnahme eines kleinen Peptids namens Humanin werden alle Proteine, die innerhalb des winzigen menschlichen Mitogenoms kodiert sind, ausschließlich in den Atmungskomplexen I bis V verwendet. Zwei duellierende 3D-Druckköpfe (siehe unten) sind kooperativ auf beiden Seiten des doppelten mitochondrialen Membransystems lokalisiert extrudieren und jede Untereinheit in das richtige Montagefach einsetzen. Dort angekommen, werden die für jeden Komplex spezifischen Montagefaktoren nacheinander zusammengefügt. Die mitochondriale Matrixseite dieser Membran beherbergt die Mitoribosomen, während die Zellseite die zytosolischen Ribosomen beherbergt.

Zytosolische und Mitoribosomen arbeiten auf beiden Seiten der doppelten Mitochondrienmembran zusammen. Quelle: Wikipedia.org

Mitochondrien haben sich als bakterielle Endosymbionten entwickelt. Sie bauten den allerersten eukaryotischen Kern und jeden Kern seither mit Hilfe von Copy-Paste-Modify-Hardware, die sie sich von Viren geliehen hatten. Nukleotidbänder werden mithilfe von mitochondrialen spezifischen DNA- und RNA-Polymerasen gelesen, geschrieben und verändert, die zusammen mit den meisten ihrer anderen essentiellen Proteine ​​seit langem zur Lagerung in den Zellkern ausgelagert wurden. Das Verständnis dieses mitochondrialen Bauprojekts wird unser Schlüssel zur Erschließung des gesamten Genoms sein.

Es gibt mindestens 1500 Stellen in der NucDNA, mit denen wir uns beschäftigen. Dies sind die Orte, die für Proteine ​​und einige RNAs kodieren, die in Mitochondrien verwendet werden. Der Trick bei der Erkennung dieser Gene besteht darin, dass sie normalerweise mit einer mitochondrialen Lokalisierungssequenz beginnen, die sie auf die richtige Organelle lenkt. Nicht alle dieser Gene, die kulturell in den Zellkern aufgenommen wurden, sind Migranten aus dem Nukleoid. Viele haben sich einfach aus bestehenden nuklearen Genen dupliziert und anschließend einen alternativen Weg zum Spleißen in einem Organellen-Lokalisierungsmotiv heraufbeschworen.

Während die vollständige Liste dieser Gene (das "mitonukleare Genom") noch nicht vollständig entdeckt werden muss, befinden sich viele, die bisher abgebaut wurden, online auf der MitoCharta-Website. Forscher finden weiterhin viel mehr Bürger des mitonuklearen Genoms. Diese werden nicht von allen Geweben exprimiert und enthalten nicht immer Lokalisierungsmotive, können aber in die Mitochondrien eindringen. Zusammengenommen sind dies die kritischen Punkte des Hybridgenoms.

Mit anderen Worten, der Sweet Spot in der Genomik liegt an den Stellen, an denen sich die beiden Genome überschneiden. Um sie zu analysieren, müssen wir nach Korrelationen zwischen Polymorphismus im expandierenden mitonuklearen Genom und dem winzigen Mitogenom suchen. Genauer gesagt müssen wir eine Reihe von Effekten erstellen, die zu erwarten sind, wenn Varianten im >1.500-starken mitonukleären Genom neben spezifischen Varianten im 13-starken Mitogenom gefunden werden.

Bis vor kurzem war das Durchsuchen von Krankheitsdatenbanken nach einzelnen Varianten, die mit denen eines Patienten übereinstimmen könnten, die einzige Möglichkeit, Risiken zu analysieren oder viele seltene Erkrankungen zu diagnostizieren. Mitochondriale Erkrankungen, die einst als extrem selten galten, sind tatsächlich etwas, das jeden in irgendeiner Form betrifft. Während es möglich ist, Zellhybride oder "Cybriden" zu erzeugen, um die Auswirkungen spezifischer mtDNA-Mutationen in einer Forschungsumgebung zu untersuchen, wird dies normalerweise nicht für Einzelpersonen getan. Glücklicherweise gibt es jetzt einen anderen Weg, nämlich Strukturmodellierung und molekulardynamische Simulation.

Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass er grobe Datenbanksuchvorgänge in den Unternehmen anderer Leute (und häufig auch in anderen Organismen) übertreffen kann, die nur ein diffuses Sammelsurium von schlechten Übereinstimmungen mit den einzelnen Varianten einer Person zurückgeben. Jetzt kann jedes genetische Profil direkt rekonstruiert werden. Mit anderen Worten, wir können alle unsere Varianten einzeln markieren und dann die Auswirkungen jeder einzelnen von Komplex zu Komplex untersuchen.

Jeder Komplex ist in eine Peripherie von assoziierten Import-, Replikations-, Translations- und Stoffwechselzykluskomponenten des mitonukleären Arsenals eingebettet, die sich unter verschiedenen Bedingungen zu verschiedenen Makrokomplexen organisieren. Zusätzlich zu Mutationen, die die katalytischen Kernaktivitäten einzelner Untereinheiten verändern, wird heute allgemein anerkannt, dass Veränderungen in den peripheren Aminosäuren, wo Untereinheiten wechselwirken, oft die am leichtesten sichtbaren Effekte ergeben. Diese Grenzaminosäuren sind diejenigen, die den Zusammenbau von Untereinheiten zu Strukturen höherer Ordnung am direktesten steuern – bis hin zum schwer fassbaren respiratorischen Superkomplex.

Eine gute Möglichkeit, die Analyse zu beginnen, besteht darin, ein Beispiel echter mtDNA zu verwenden. Ich habe vor kurzem eine vollständige Genomsequenzierung (WGS) von Dante Labs mit einer speziellen Anfrage für mtDNA-Sequenzierung erhalten, die nur ein paar hundert Dollar kostete. Die mtDNA-Ergebnisse erhielt ich nach einigen Wochen in Form von zwei Dateien in einem gängigen Format namens FASTQ. Jede Datei enthält die Sequenzierungsdaten, die durch Sequenzieren von DNA-Fragmenten in eine Richtung erhalten wurden. Um die Ergebnisse mit der Cambridge Reference Mitochondrial Sequence (CRS) zu vergleichen und meine speziellen Varianten zu extrahieren, habe ich meine Dateien auf eine Website namens mtDNA-Server hochgeladen und als Dateityp "single ended" verwendet.

Neben der Auflistung Ihrer Varianten, der am häufigsten vorkommenden „homoplasmatischen“ Sequenzergebnisse Ihrer eingereichten Probe, erhalten Sie auch Ergebnisse zur Heteroplasmie. Diese Daten bestehen aus zusätzlichen Low-Abundance-Reads, hauptsächlich aus den sogenannten nuklearen mitochondrialen DNA-Segmenten (NUMTs). Dies sind meist nicht funktionelle Reliktkopien von mtDNA, die sich auf vielen Chromosomen befinden. In Zukunft wird es wichtig sein, mtDNA aus anderen Kompartimenten als dem Speichel zu analysieren, um die tatsächliche Heteroplasmie innerhalb verschiedener Mitochondrien besser in den Griff zu bekommen.

Beispielsweise können Herzmuskelzellen oder Fibroblasten bevorzugt mutierte und deletierte mtDNA anreichern. In anderen Fällen unterhalten verschiedene Gewebe absichtlich getrennte Populationen heteroplasmatischer Mitochondrien. In meinem Fall habe ich folgende homoplasmatische Varianten erhalten:

11788 C>T MT-ND4
1438 A>G MT-CYB (sollte MT-RNR2 sein)
15326 A>G MT-CYB
16519 T>C MT-DLOOP1
263 A>G MT-DLOOP2
4769 A>G MT-ND2
750 A>G MT-RNR1
8860 A>G MT-ATP6

Die gute Nachricht hier ist, dass zwar nicht jeder ein Gewinner im Potluck der genetischen Rekombination ist, aber jeder mit Mitochondrien kann einem bestimmten Haplotyp zugeordnet werden. Dies sagt ihnen ungefähr, wo sie in den menschlichen Stammbaum passen und in geringerem Maße, an welche Umgebungen ihre Mitochondrien angepasst sind. Mit Tools wie MitoMap und Phylotree und der fachkundigen Unterstützung der Forscher Marie Lott und Shiping Zhang vom Children's Hospital of Pennsylvania fand ich heraus, dass ich direkt in die Haplogruppe "H" falle. Dies lag daran, dass ich alle sehr gebräuchlichen 263G-, 750G-, 1438G-, 4769G-, 8860G-, 15326G- und 16519C-Marker mit dieser Gruppe teile. Das eine seltene Allel, das ich bei 11788T habe, wird nur in 25 der 45.000 Sequenzen in der MitoMap-Datenbank gefunden und das bringt mich in die H56-Untergruppe. Dieser Haplotyp ist eine überwiegend nordeuropäische Untergruppe, von der angenommen wird, dass sie kurz nach der letzten Eiszeit entstanden ist.

Was mir sofort auffällt, ist die scheinbare Fülle von A>G-Varianten in meiner Aufarbeitung. A>G scheint auch bei bekannten schweren mitochondrialen Krankheitsmutationen, wie beispielsweise MELAS, überrepräsentiert zu sein. Marie und Shiping stellten fest, dass, obwohl A>G definitiv ein statistisch begünstigter Übergang ist (G>A vs Strangasymmetrie innerhalb der mtDNA Der helle Strang, von dem das Mitogenom nummeriert ist, hat

13 Prozent G. Außerdem ist bekannt, dass A- und G-Varianten bevorzugt in bestimmten Regionen der mtDNA lokalisiert sind.

Wenn wir die Variantenliste durchgehen, stellen wir fest, dass einige proteinkodierende Varianten, wie 4769A>G in MT-ND2 oder 11788 C>T im MT-ND4-Gen „synonym“ waren. Diese Gene kodieren für Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase-Komplexes I. Synonym bedeutet, dass, obwohl sich das Nukleotid ändert, das neue Codon immer noch von derselben mt-tRNA oder Familie ähnlicher tRNAs erkannt wird. Daher ist es nicht so wahrscheinlich, dass diese Varianten die Proteinsequenz selbst beeinflussen. Es ist dennoch möglich, dass geringfügige Änderungen an der Geschwindigkeit oder Genauigkeit der Übersetzung auftreten.

Der 8860 A>G-Übergang MT-APT6 hingegen ist ein nicht synonymer Ersatz. Genauer gesagt ändert diese Missense-Mutation von A > G die Codon-Spezifität von der von T zu A. Es ist wichtig zu erkennen, dass in der Codon-Welt T die Aminosäure Threonin und nicht das Nukleosid Thymidin ist, während A Alanin und nicht Adenosin ist. Um zu bestimmen, wo diese Mutation in der F-ATPase-Protein-6-Untereinheit von Komplex V auftritt, können wir Mitomap verwenden, um die 8860 mtDNA-referenzierte Koordinate in die proteinreferenzierte Koordinate von 112 umzuwandeln.

Mithilfe von Proteinstrukturdatenbanken wie Uniprot und interaktiven Modellierungsseiten wie dem Protein Model Portal können wir die Alaninvariante an Position 112 einstanzen und sehen, wo sie zwischen den verschiedenen Schleifen und Faltungen des Proteins liegt. Das Bild des Hauptartikels oben zeigt das gesamte ATP6-Protein und das Bild unten hebt Position 112 hervor.

MT-Cyb mit Variante an Position 112 (grün markiert). Bildnachweis: proteinmodelportal.org

Die Suche in der Datenbank dbSNP Short Nucleotide Variations ergab, dass mehrere MT-CYB-Varianten mit hypertropher Kardiomyopathie in Verbindung stehen, daher wollte ich dort eine eingehendere Analyse durchführen. Ein Papier, das meine spezielle 15326A>G-Variante in ihre Studie einbezog, liefert ein ausgezeichnetes Rezept. Die Autoren dieser Studie aus dem Jahr 2013 verwendeten PolyPhen, um Mutationen in der Nähe der Häm-bindenden Redoxzentren mit konservierter Funktion von MT-CYB zu analysieren. Obwohl Polyphen gefühlsbasierte Metriken bietet, die verschiedene Mutationen als "möglicherweise sehr schädlich" bewerten, kann es diese subjektiven Beschreibungen auch auf tatsächliche funktionelle Parameter wie Überpackung an vergrabenen Stellen im Protein zurückführen.

Je nachdem, ob Kristallstrukturen menschlicher Proteine ​​in ausreichend hoher Auflösung vorliegen oder nicht, kann man mit Vorhersagesoftware wie I-TASSER und Swiss-PDB Viewer Aminosäureveränderungen einführen und alle möglichen Rotamere auswerten. Änderungen von Wasserstoffbrückenbindungen, makromolekularen Wechselwirkungen und Energieminimierung können mit dem GROMOS-Kraftfeld durchgeführt werden.

Vollständige Molekulardynamiksimulationen sind immer noch nichts für schwache Nerven. Die Programme NAMD und CHARMM22 beispielsweise benötigen in der Regel viel Rechenleistung. Die MT-Cyb-Untereinheit interagiert mit mehreren der 11 Untereinheiten innerhalb von Komplex III. Pakete wie der STRIDE-Simulator können die Sekundärstruktur zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten berechnen, um aufzudecken, wo interagierende Alpha-Helices übergehen und abwechselnd in zufällige Spulen übergehen, um die Struktur des Komplexes zu stören.

Wir werden unsere Analyse des Mitogenoms im nächsten Artikel dieser Serie abschließen und uns auch das mitonukleare Genom ansehen, sobald es mir zur Verfügung steht. Ich versuche, in die Fußstapfen eines frühen Pioniers der offenen Genomik, Brian Pardy, zu treten, der als einer der ersten sein gesamtes Genom jedem kostenlos zur Verfügung stellte, der es für Analysen verwenden wollte. Meine eigenen Informationen und Dateien sind verfügbar, sobald sie in diesem Blog eingehen.


Einstufiger Test auf mitochondriale Erkrankungen

Leistungsfähigere Werkzeuge zur Gensequenzierung haben zunehmend Krankheitsgeheimnisse in der DNA innerhalb des Zellkerns aufgedeckt. Jetzt erweitert ein Forschungsteam diese schnellen Sequenzierungstests der nächsten Generation, um eine separate DNA-Quelle zu analysieren – innerhalb der Gene in den Mitochondrien, zellulären Kraftwerken, die, wenn sie abnormal sind, zu komplexen Multisystemerkrankungen beitragen.

Das Studienteam unter der Leitung eines Spezialisten für mitochondriale Medizin am Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) passte die Sequenzierung der nächsten Generation an, um gleichzeitig das gesamte Exom (die gesamte proteinkodierende DNA) der nuklearen Gene und des mitochondrialen Genoms zu analysieren. "Ein erster Schritt bei der Entwicklung von Behandlungen für eine Krankheit besteht darin, ihre genaue Ursache zu verstehen", sagte Marni J. Falk, M.D., Direktorin und behandelnde Ärztin der Klinik für Mitochondrial-Genetische Erkrankungen des Kinderkrankenhauses. "Wir haben ein einstufiges Standard-Tool entwickelt, das sowohl nukleäre als auch mitochondriale DNA analysiert, um die genetische Ursache einer vermuteten mitochondrialen Erkrankung zu bewerten."

Falk und Kollegen beschreiben im Journal ihren maßgeschneiderten, umfassenden Test, den sie „1:1000 Mito-Plus Whole-Exome“-Kit nennen Entdeckungsmedizin, veröffentlicht am 26. Dezember 2012. Ihr mitkorrespondierender Autor, der Biostatistiker Xiaowu Gai, Ph.D., jetzt von der Stritch School of Medicine der Loyola University, arbeitete an der Entwicklung des Tests während seiner Zeit im Kinderkrankenhaus.

Während jede mitochondriale Erkrankung in der Bevölkerung sehr selten ist, sind Hunderte von Ursachen für mitochondriale Erkrankungen bekannt. Einige haben ihren Ursprung in DNA-Mutationen, die für die Mitochondrien spezifisch sind, winzige Strukturen außerhalb des Zellkerns, während viele andere mitochondriale Erkrankungen auf nuklearen DNA-Genen basieren, die die Mitochondrienfunktion beeinflussen. Die Rolle der Mitochondrien bei menschlichen Erkrankungen wurde erst seit den 1980er Jahren erkannt, basierend auf bahnbrechenden Forschungen von Douglas C. Wallace, Ph.D., jetzt am Kinderkrankenhaus und Mitautor der aktuellen Studie.

Viele mitochondriale Erkrankungen sind noch immer wenig verstanden. Ein erschwerender Faktor ist Heteroplasmie – eine Mischung aus mutierten und normalen mitochondrialen Genomen innerhalb derselben Zellen oder Gewebe. Im Gegensatz zur herkömmlichen Gensequenzierung, die nur heteroplasmatische Mutationen mit einem Gehalt von mindestens 30 bis 50 Prozent nachweisen kann, weist das maßgeschneiderte Kit die Sensitivität auf, um mitochondriale Genommutationen mit einem Gehalt von nur 8 Prozent zu erkennen. Um ihre Ergebnisse zu erzielen, adaptierte das Studienteam ein bestehendes Whole-Exom Sequencing Kit von Agilent Technologies und erweiterte es auf das mitochondriale Genom.

Die Verfügbarkeit des neuen Kits, so Falk, könnte, wenn es entweder für klinische oder Forschungszwecke verwendet wird, die "diagnostische Odyssee" vieler Patienten und Familien verkürzen, die nach der Ursache für schwächende und rätselhafte Symptome suchen. "Viele Familien reisen jahrelang von einem Spezialisten zum anderen, um nach der Ursache ihrer seltenen Erkrankung zu suchen", sagt sie. Bestimmte Behandlungen sind nicht immer verfügbar, aber die Identifizierung ihrer Krankheitsursache kann der erste Schritt zur Entdeckung von Behandlungen sein.

Eine zweite aktuelle Studie von Falk und Kollegen untersucht die Fortschritte bei der Diagnose mitochondrialer Erkrankungen anhand ihrer Erfahrungen an einem einzigen Zentrum über einen sich schnell ändernden Zeitraum von drei Jahren, bevor die Sequenzierung des gesamten Exoms allgemein verfügbar war. Die retrospektive Überprüfung in Neurotherapeutics, veröffentlicht am 27. Dezember 2012, umfasst 152 Kinder und Erwachsene, die von 2008 bis 2011 an der mitochondrialen Genetik-Diagnostikklinik von CHOP untersucht wurden.

"Vor 2005 konnten nur sehr wenige Personen definitive molekulare Diagnosen für mitochondriale Erkrankungen erhalten, da sowohl Wissen als auch Technologie begrenzt waren", sagte Falk. "Seit dieser Zeit hat die klinische Fähigkeit, ganze mitochondriale DNA-Genome zu sequenzieren, die Diagnose vieler mitochondrialer Erkrankungen signifikant verbessert."

Während des im Übersichtsartikel behandelten Studienzeitraums bestätigte die Klinik von CHOP bei 16 Prozent der Patienten eine eindeutige mitochondriale Erkrankung und schloss bei 9 Prozent eine primäre mitochondriale Erkrankung aus. Während viele diagnostische Herausforderungen offensichtlich bestehen bleiben, sagt Falk, dass das Aufkommen der massiv parallelen nuklearen Exomsequenzierung immer mehr Gene in der nuklearen DNA enthüllt, die die mitochondriale Funktion beeinflussen, und die genaue genetische Störung bei einem bestimmten Patienten, selbst wenn sie neu oder ungewöhnlich ist. Sie fügte hinzu, dass die Molekulargenetik ein differenzierteres Verständnis der zellulären Signalwege ermöglicht, die den Symptomen vieler mitochondrialer Erkrankungen zugrunde liegen. "Diese Wege bieten potenzielle neue Angriffspunkte für die Behandlung dieser Erkrankungen", sagte Falk.


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