Mitochondrialne DNA

Źródło informacji genetycznej, czyli DNA, kojarzymy jako to występujące w jądrze komórkowym, połączonej  na podstawie zasady komplementarności zasadami azotowymi w kształt podwójnej helisy. To fakt, ale poza genomem jądrowym mamy również genom mitochondrialny, który nie jest obojętny dla zdrowia człowieka.

Mitochondria to organella komórkowe stanowią centra energetyczne komórek. Potocznie nazywane są piecami energetycznymi, bowiem to w wyniku procesu oddychania komórkowego powstaje wewnątrz mitochondriów większość ATP (adenozynotrifosforan – nośnik energii chemicznej używanej w metabolizmie komórki).  Poza tym mitochondria biorą udział w innych procesach, jak kontrola cyklu komórkowego, sygnalizacja komórkowa, specjalizacja czy wzrost i śmierć komórki.

Mitochondria wyróżniają się między innymi tym, że mają własny genom. Różni się on od jądrowego DNA zarówno wielkością, jak i kształtem. W ludzkich mitochondriach DNA ma kształt kolistej cząsteczki o wielkości około 16 tysięcy par zasad. Jest on odpowiedzialny za kodowanie 37 genów, w tym 13 dotyczących podjednostek kompleksów oddechowych, 22 kodujące mitochondrialne tRNA, 2  natomiast odpowiedzialne za rRNA. W jednym mitochondrium człowieka znajdziemy zazwyczaj od 4 do 10 kolistych cząsteczek DNA .W przeciwności do DNA jądrowego – w genomie mitochondrialnym występuje dużo DNA kodującego w stosunku do obszarów niekodujących oraz brak jest powtórzeń. W ludzkim mitochondrialnym DNA brak jest także intronów. Pomimo tego, że białka kodowane przez mitochondrialny DNA to część białek mitochondrialnych, to jednak większość (ponad 99%) białek niezbędnych do działania mitochondriów kodowana jest przez genom jądrowy.  Cząsteczki mtDNA mogą różnić się od siebie nawet w obrębie jednej komórki. Co więcej, mogą być odmienne nawet w tym samym mitochondrium. Nazywamy to heteroplazmią.

Dziedziczenie genomu mitochondrialnego jest zmienne w zależności od gatunku. U ssaków uważa się, że mtDNA przekazywane jest wyłącznie w linii żeńskiej, czyli że dziedziczone jest jedynie po matce. Jednakże jak to zwykle bywa w nauce, pojawiły się w tym kontekście pewne wątpliwości.

Zarówno komórka jajowa, jak i plemnik, zawierają wiele mitochondriów. Mitochondria ojca wraz z plemnikiem wnikają do zapłodnionego jaja, jednakże zawierają one chemiczny znacznik, co powoduje, że są w pewnym sensie zaprogramowane na zniszczenie. Tak więc przez długi czas uważano, że mitochondria dziedziczymy po rodzicielce.  Prawdopodobnie po raz pierwszy w 2002 roku naukowcy natrafili na osobę, u której w komórkach rozpoznano mitochondria, które pochodziły zarówno od matki, jak i od ojca. Przez długi czas było to jedyne odkrycie na ludziach tego  typu, choć takie sytuacje zdarzały się u myszy czy much.  Jednakże w pracy z 2018 roku  zespół naukowców z Cincinnati Children’s Hospital Medical Center w USA zidentyfikował trzy niespokrewnione rodziny wielopokoleniowe z wysokim poziomem heteroplazmii mtDNA (od 24 do 76%), co stanowiło w sumie 17 osób.  Oznacza to, że każdy z nich odziedziczył w pewnym stopniu mitochondria zarówno po matce, jak i po ojcu.  Było to prawdopodobnie wynikiem mutacji genetycznych, w wyniku których doszło do zakłócenia mechanizmu zapobiegającego dziedziczeniu mitochondriów od ojca.  W tym przypadku jest to prawdopodobnie wynik mutacji w obrębie DNA jądrowego, a nie mitochondrialnego.

W publikacji możemy przeczytać: „Nasze wyniki sugerują, że chociaż centralny dogmat matczynego dziedziczenia mtDNA pozostaje ważny, istnieją wyjątkowe przypadki, w których rodzicielskie mtDNA można przekazać potomstwu. Wyjaśnienie mechanizmu molekularnego dla tego niezwykłego sposobu dziedziczenia dostarczy nowych informacji na temat tego, w jaki sposób MDTNA jest przekazywane z rodziców na potomstwo, a nawet może doprowadzić do opracowania nowych sposobów leczenia terapeutycznego patogennej transmisji mtDNA.”  Sugeruje się, że być może w przypadku możliwości ingerencji poprzez wyłączenie mechanizmu niszczącego mitochondria udawało by się uniknąć chorób powiązanych z nieprawidłowymi mitochondriami matki. Mitochondria ojca byłyby swego rodzaju kompensacją szkodliwych mutacji w mitochondriach matki. Z drugiej strony naukowcy podkreślają, że plemniki są znacznie bardziej niż komórki jajowe narażone na mutacje. Dookoła tego tematu jest wiele spekulacji, natomiast prawdopodobnie nie bez przyczyny u człowieka naturalnie powstał mechanizm, w wyniku którego standardowo dziedziczymy mitochondria po matce.  W świecie nauki coraz większą uwagę przywiązuje się do mitochondriów, więc kolejne lata mogą przynieść nam dużo istotnych informacji w tym kontekście.

W związku z powyższym wiemy, że choroby mitochondrialne są przekazywane potomstwu przez kobietę – matkę. Badanie i diagnostyka chorób mitochondrialnych to prężnie rozwijająca się gałąź nauki. Choroby mitochondrialne zaliczamy do szerokiej kategorii chorób metabolicznych.  Są one spowodowane głównie mutacjami w mitochondrialnym DNA. Dotychczas zostało opisanych ponad 250 mutacji patogennych w obszarze mtDNA. Często ich efektem jest niedobór ATP w wyniku ograniczonej wydajności oksydacyjnej fosforylacji. Wcześniej już wspomniane zjawisko heteroplazmii dotyczy właśnie sytuacji występowania w jednej komórce zmutowanego DNA obok mtDNA bez mutacji. To właśnie stopień heteroplazmii – a więc proporcja ilości DNA zmutowanego i prawidłowego w komórce – warunkuje to, czy dojdzie do zaburzeń w funkcjonowaniu mitochondriów. Choroby mitochondrialne mogą być również spowodowane mutacjami w genach kodujących białka mitochondrialne, w obszarze jądrowego DNA. Charakterystyczne objawy towarzyszące chorobom mitochondrialnym to: ataki epilepsji, osłabienie mięśni szkieletowych, kardiomiopatia, atrofia nerwu wzrokowego czy zaburzenia funkcji nerek i cukrzyca.  Od zapotrzebowania energetycznego danej tkanki czy narządu zależy to, w jakim stopniu wystąpią objawy i jaki będzie stopień ich nasilenia. W pierwszej kolejności będzie to dotyczyło narządów i tkanek o dużej aktywności metabolizmu tlenowego, czyli mięśnie i układ nerwowy. Badania pokazują, że częstość występowania pełnoobjawowych chorób mitochondrialnych to 1 na 5000, za to 1 na kilkaset osób posiada mutacje mtDNA nie dające zmian fenotypowych (tzn. o niskim stopniu heteroplazmii).

Do najczęściej występujących zaburzeń powstałych w wyniku mutacji z obrębie mtDNA bądź jądroego DNA nalezą:

  • zespół MELAS (miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa, występowanie incydentów podobnych do udarów)
  • zespół MIDD (dziedziczona po matce cukrzyca z głuchotą)
  • zespół MERRF (padaczka miokloniczna z czerwonymi poszarpanymi włóknami mięśniowymi
  • zespół NARP (neurogenna miopatia z ataksją i zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki)
  • zespół LHON – dziedziczna neuropatia wzrokowa Lebera
  • zespół Kearnsa-Sayre’a (KSS) – ostępująca oftalmoplegia zewnętrzna, zwyrodnienie barwnikowe siatkówki, ataksja, podwyższony poziom białka w płynie mózgowo-rdzeniowym, zaburzenia przewodzenia w mięśniu sercowym
  • zespół CPEO (porażenie mięśni odwodzących oka)

Choroby mitochondrialne, z racji tego, że są to choroby uwarunkowane genetycznie, leczy się jedynie objawowo.

 

Źródła:
David C. Chan. Mitochondria: Dynamic Organelles in Disease, Aging, and Development. „Cell”. 125 (7), s. 1241-1252, 2006-06-30
Rudolf J. Wiesner, J. Caspar Rüegg, Ingo Morano. Counting target molecules by exponential polymerase chain reaction: Copy number of mitochondrial DNA in rat tissues. „Biochemical and Biophysical Research Communications”. 183 (2), s. 553-559, 1992-03-16.
Anna Koseniuk, Agnieszka Szumiec, Dominika Rubiś, Anna Radko Różnice w budowie i funkcjonowaniu genomu mitochondrialnego i jądrowego Wiadomości Zootechniczne, R. LIII (2015), 2: 98–102
Luo S1,2, Valencia CA1, Zhang J3 Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Dec 18;115(51):13039-13044
Wojewoda, K. Zabłocki, J. Szczepanowska, Diseases caused by mutations in mitochondrial DNA Postępy Biochemii 57 (2) 2011

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *