|
Ludzki genom mitochondrialny - mutacje, polimorfizmy i choroby
W każdej komórce ludzkiego ciała znajdują się mitochondria, na ogół w jednej komórce jest ich kilkaset, a każde mitochondrium zawiera 4-10 cząsteczek kolistego DNA o długości 16569 par zasad (pz). Na tej kolistej cząsteczce zapisana jest informacja o syntezie 13 białek związanych z fosforylacją oksydacyjną, 22 klasach tRNA i 2 klasach rRNA. Mitochondria dziedziczone są wyłącznie po matce, w czasie zapłodnienia mitochondria plemnika wnikają wprawdzie do oocytu, ale jest ich znikomo mało w porównaniu z około 100000 mitochondriami oocytu.
Olbrzymia większość białek obecnych w mitochondriach - zarówno w cytoplazmie jak i w błonach - kodowanych jest w genomie jądrowym, transkrypty tych genów ulegają translacji w cytoplazmie, a powstające białka są importowane do mitochondriów.
Znanych jest szereg chorób degeneracyjnych obejmujących mózg, serce, mięśnie, nerki i gruczoły wydzielnicze, które są związane z mutacjami w mitochondrialnym DNA. Najwcześniej wykryto mutacje warunkujące dziedziczny zespół Lebera (Leber's hereditary optic neuropathy - LHON), padaczkę miokloniczną z obecnościa włókien "poszarpanych" (myoclonous epilepsy with ragged red fibers - MERFF) i encefalopatię mitochondrialną z kwasicą mleczanową i napadami przypominającymi udar mózgu (mitochondrial encepalopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes - MELAS). Znane są też inne choroby i podejrzewa się, że zmiany w mitochondrialnym DNA mogą być odpowiedzialne m.in. za procesy starzenia.
Zmiany w mitochondrialnym DNA mogą być także wywoływane przez mutację w genach jądrowych - kodujacych białka strukturalne mitochondriów lub białka związane z regulacją ich funkcji. Znane są też zmiany w mitochondrialnym DNA - a szczególnie delecje - które występują sporadycznie u danego pacjenta, i nie są stwierdzane u jego rodziny.
Dla chorób wynikających ze zmian w mitochondrialnym DNA dziedziczonych w sposób matczyny stwierdza się różnorodność objawów wśród tej samej rodziny i zmieniający się obraz choroby u jednej osoby w czasie jej życia, co powoduje, że typowe dla innych chorób genetycznych poszukiwanie korelacji genotyp-fenotyp nakłada się tu na genetykę populacji - jako że w komórce obecnych jest wiele mitochondriów, i na ogół koegzystują ze sobą DNA niosące patogenną mutację i DNA niezmutowane (tzw. heteroplazmia).. Diagnostyka molekularnych przyczyn chorób mitochondrialnych musi więc obejmować nie tylko ustalenia obecności mutacji wywołującej chorobę, ale także badania stosunku zmutowanego do normalnego DNA mitochondrialnego.
Sam mitochondrialny DNA ma znacznie wyższe tempo mutacji niż DNA jądrowy. Przyjmuje się, ze wynika to z braku systemów naprawy mitchondrialnego DNA, z braku histonów oraz z obecności dużej ilości wolnych rodników. Mutacje pojawiające się w mitochondrialnym DNA komórek linii płciowej mogą powodować choroby występujące w rodzinie, zaś mutacje pojawiające się w komórkach somatycznych mogą być związane ze spadającą z wiekiem wydolnością układu fosforylacji oksydacyjnej.
Dla wielu chorób wynikających z mutacji w mitochondrialnym DNA objawy pojawiają się dopiero u dorosłych, tłumaczy się to nagromadzaniem się defektywnych cząsteczek DNA w pewnych tkankach w miarę rozwoju. Jednak choroby mitochondrialne występują także u dzieci. Ważnym czynnikiem wydaje się być zapotrzebowanie poszczególnych tkanek na sprawnie działającą fosforylację oksydacyjną. Proporcje odziedziczonych normalnych i defektywnych mitochondriów w danej tkance uważa się w zasadzie za przypadkowe .
Ustalanie jakie sekwencje DNA mitochondrialnego są normalne, a jakie zmutowane wymaga przebadania DNA pewnej ilości osób zdrowych. Sekwencja mitochondrialnego DNA zostałą ustalona już w 1981 r w grupie Fryderyka Sangera, natomiast prace nad wariantami mitochondrialnymi prowadzone są od wczesnych lat osiemdziesiątych. Stwierdzono, że różne populacje wykazują pewne zróżnicowanie, często dotyczące tzw. podstawień neutralnych w sekwencji genów kodujących białka. Badania wykazują brak rekombinacji pomiędzy mitochondrialnymi DNA. Badania takie są nadal ważne, ukazuje się wiele prac tego typu badających poszczególne populacje, zwłaszcza że nie wszystkie populacje, m. in. np. polska, zostały przebadane. Wiąże się to ze sprawą mutacji warunkujących choroby - jeżeli stwierdzi się, że chory ma nową, nieznaną zmianę w mitochondrialnym DNA powodującą podstawienie jednego aminokwasu przez drugi, czy jest to polimorfizm, czy choroba? Aby odpowiedzieć na to pytanie można przeanalizować mitochondrialny DNA wszystkich spokrewnionych po linii żeńskiej członków rodziny chorego, aby ustalić korelację choroba/mutacja albo też trzeba coś wiedzieć o typowym mtDNA w danej populacji.
Istnieje też szereg problemów w korelacjach genotyp/fenotyp. Daną chorobę mogą wywoływać mutacje w różnych genach ale z drugiej strony ta sama mutacja może powodować 2 różne choroby np. mutacja w tRNALeu w pozycji 3243 powoduje cukrzycę z głuchotą lub MELAS. Widać, że mutacje często nie są jedyną przyczyną choroby, i że na efekty danej mutacji mają wpływ nieznane jeszcze czynniki - najprawdopodobniej sekwencja samego DNA mitochondrialnego i proporcje i dystrybucja do różnych tkanek zmutowanych cząsteczek DNA oraz genotyp jądrowy.
Zdolność do oddychania może zmienić się skokowo - do 85% zmutowanego DNA mitochondrialnego może dawać nikłe objawy, zaś większa ilość - bardzo ciężkie.
Warto jeszcze wspomnieć o innym typie mutacji - o delecjach. Jedna z nich powoduje cukrzycę z głuchotą. Uważa się , że delecje występują także w czasie starzenia. Upośledzenie funkcji mitochondriów osób starszych - ale bez badania częstości delecji - wykazano doświadczalnie, przenosząc mitochondria pobrane z komórek osób w różnym wieku do linii komórkowej nie posiadającej mitochondrialnego DNA..
Badanie i diagnostyka chorób mitochondrialnych rozwija się bardzo szybko, techniki diagnostyczne wykorzystują zarówno metody biochemii i cytochemii jak i najnowsze metody biologii molekularnej, na ogół oparte o techniki PCR, które umożliwiają ustalenie jaka mutacja zaszła i w jakiej części DNA w danej tkance. Ciągle odkrywa się nowe mutacje mitochondrialne. Zważywszy, że pierwszą mutację w mtDNA zidentyfikowano w 1988 roku, widać, że wiele pozostało jeszcze do wyjaśnienia.
Ewa Bartnik
Prof dr. hab. Ewa Bartnik pracuje w Zakładzie Genetyki Uniwersytetu Warszawskiego i Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN.
22 kwietnia 1999 roku prof. E. Bartnik wygłosiła w UMCS referat nt. "Genom mitochondrialny człowieka - mutacje i polimorfizmy". Organizatorami spotkania w sali audytoryjnej Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi UMCS były lubelskie oddziały Polskiego Towarzystwa Genetycznego, Polskiego Towarzystwa Immunologii Doświadczalnej i Klinicznej, Polskiego Towarzystwa Biochemicznego oraz Polskiej Akademii Nauk.
powrót do wydawnictwa 
|
