Кіріспе
Адам митохондриялық геномын зерттеу. Суретте 23 хромосомалық жұп және төменгі сол жақта көрсетілген ("MT") митохондриялық геном бар, схемалық кариограмма. Оның геномы қалғандарымен салыстырғанда салыстырмалы түрде кішкентай, ал бір адам жасушасындағы көшірме саны 0-ден (эритроциттерде) бастап өзгереді. Сондықтан митохондриялық мұрагерлік мендельдік емес, себебі мендельдік мұрагерлік ұрықтандырылған жұмыртқаның (зиготаның) генетикалық материалының жартысы әр ата-анадан келеді деп есептейді. Бұл популяциялық генетиканы зерттеу үшін митохондриялық ДНК гаплогруппаларын құруға мүмкіндік берді. Митохондриялық ДНК-ның 80 пайызы митохондриялық РНК-ны кодтайды, сондықтан митохондриялық ДНК-ның көптеген мутациялары функционалдық проблемаларға, олар бұлшықет аурулары (миопатия) ретінде көрініс беруі мүмкін, әкеледі. Гликолиз арқылы түзілетін 2 АТФ молекуласына қарағанда, глюкоза молекуласына 30 АТФ молекуласын қамтамасыз ететіндіктен, митохондриялар барлық жоғары организмдер үшін өмірді сақтау үшін өте маңызды. Митохондриялық аурулар – митохондриялық ДНК-да немесе митохондриялық құраушылар үшін ядролық ДНК-да кодталатын генетикалық бұзылыстар. Митохондриялар пайдаланатын көптеген ферменттердің кез келгенінің шағын дағдысы жасушаға, ал одан әрі организмге зиян келтіруі мүмкін.
[[File:Human karyotype with bands and sub bands. png|thumb|Schematic karyogram showing the human genome, with 23 chromosome pairs, and the human mitochondrial genome to scale at bottom left (annotated "MT"). Its genome is relatively tiny compared to the rest, and its copy number per human cell varies from 0 (erythrocytes)
Mitochondrial inheritance is therefore non Mendelian, as Mendelian inheritance presumes that half the genetic material of a fertilized egg (zygote) derives from each parent. This allowed the creation of mitochondrial DNA haplogroups to study population genetics. Eighty percent of mitochondrial DNA codes for mitochondrial RNA, and therefore most mitochondrial DNA mutations lead to functional problems, which may be manifested as muscle disorders (myopathies). Because they provide 30 molecules of ATP per glucose molecule in contrast to the 2 ATP molecules produced by glycolysis, mitochondria are essential to all higher organisms for sustaining life. The mitochondrial diseases are genetic disorders carried in mitochondrial DNA, or nuclear DNA coding for mitochondrial components. Slight problems with any one of the numerous enzymes used by the mitochondria can be devastating to the cell, and in turn, to the organism.
Саны
Адамдарда митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) 16 569 ДНҚ негіздік жұптан тұратын жабық дөңгелек молекулалар түзеді, және әрбір молекула әдетте митохондриялық гендердің толық жиынтығын қамтиды. Әрбір адам митохондриясында орташа есеппен шамамен 5 мтДНҚ молекуласы болады, олардың саны 1-ден 15-ке дейін ауытқуы мүмкін. Лимфоциттер: бір жасушада 3 митохондрия. Жұмыртқа жасушасы: Дамыған метафаза II жұмыртқа жасушалары 100 000 митохондрияны және митохондриялық геномның 50 000–1 500 000 көшірмесін қамтуы мүмкін (бұл жұмыртқа жасушасы ДНҚ-ның 90% құрайды).
Гендер
Адам митохондриялық геномындағы гендер былай:
Гендердің орналасуы
Митохондриялық ДНҚ-да дәстүрлі түрде ДНҚ-ның екі талшығы ауыр және жеңіл талшық деп белгіленген, себебі цезий хлориді градиенттерінде бөліну кезінде олардың жүзу тығыздықтары, талшықтың салыстырмалы G+T нуклеотидтерінің мөлшерімен байланысты екені анықталды. Дегенмен, осы талшықтарды белгілеуде шатасу кең таралған, және бұл 1999 жылғы бір ықпалды мақалада басымдықпен кодтаушы талшықты ауыр деп көрсетуден бастау алған сияқты. Ауыр талшықтағы 9 геннің сегізі митохондриялық тРНК молекулаларын кодтайды. Адамның мтДНК-сы 16 569 нуклеотидтік жұптан тұрады. Бүкіл молекула тек бір реттеуші аймақпен реттеледі, онда ауыр және жеңіл талшықтардың көбейіп көбею бастамасы орналасқан. Адамның митохондриялық ДНК молекуласының толық картасы жасалған.
Генетикалық кодтың варианттары
Генетикалық код көбінесе әмбебап, аздаған ерекшеліктер бар: митохондриялық генетика осы ерекшеліктердің кейбіреулерін қамтиды. Көптеген организмдер үшін "тоқтату кодондары" - "UAA", "UAG" және "UGA". Омыртқалы жануарлардың митохондриясында "AGA" және "AGG" де тоқтату кодондары болып табылады, бірақ "UGA" жоқ, оның орнына триптофанды кодтайды. "AUA" көптеген организмдерде изолейцинге, ал омыртқалы жануарлардың митохондриялық мРНК-сында метионинді кодтайды. Басқа митохондриялық м/тРНК қолданатын кодтардың арасында көптеген басқа да өзгерістер бар, олар олардың ағзаларына зиян келтірмейді және оларды құрал ретінде пайдалануға болады (әртүрлі түрлердің мтДНК/РНК арасындағы басқа да мутациялармен бірге) туысқан түрлердің ортақ ата-тегінің шамамен жақындығын анықтау үшін. (Екі түрдің туыстық байланысы неғұрлым тығыз болса, митохондриялық геномдағы мтДНК/РНК мутациялары да соғұрлым көп ортақ болады). Осы техникаларды қолдану арқылы алғашқы митохондриялар шамамен 1,5 миллиард жыл бұрын пайда болған деп есептеледі. Басым қабылданған гипотеза митохондрияның анаэробты эукариоттың ішінде симбиоздық қарым-қатынаста аэробты прокариот ретінде пайда болғанын көрсетеді.
Көшіру, жөндеу, транскрипция және аударма
Митохондриялық репликация ядролық гендермен бақыланады және митохондрияның сол кездегі жасушаның қажеттілігіне сәйкес, мүмкіндігінше көп көбейе білуіне бейімделеді. Адамдарда митохондриялық транскрипция H1, H2 және L (ауыр тізбек 1, ауыр тізбек 2 және жеңіл тізбек промоторлары) деп аталатын үш промотордан басталады. H2 промоторы ауыр тізбектің дерлік барлық бөлігін, ал L промоторы жеңіл тізбектің барлық бөлігін транскрипциялайды. H1 промоторы екі митохондриялық рРНК молекуласының транскрипциясын қамтамасыз етеді. Транскрипция ауыр тізбекте жүргенде полицистрондық транскрипт пайда болады. Жеңіл тізбек праймер ретінде қолданылатын шағын транскрипттерді немесе бір ұзын транскриптті өндіреді. Праймерлерді өндіру митохондриялық РНКаза MRP (митохондриялық РНК өңдеу) арқылы жеңіл тізбек транскрипттерін өңдеу арқылы жүзеге асырылады. Праймерлерді өндіру үшін транскрипцияның қажеттілігі транскрипция процесін мтДНК репликациясымен байланыстырады. Толық ұзындығы транскрипттер функционалдық тРНК, рРНК және мРНК молекулаларына ыдырайды. Митохондрияларда транскрипцияны бастау процесіне үш түрлі ақуыз қатысады: митохондриялық РНК полимераза (POLRMT), митохондриялық транскрипция факторы А (TFAM) және митохондриялық транскрипция факторлары B1 және B2 (TFB1M, TFB2M). POLRMT, TFAM және TFB1M немесе TFB2M митохондриялық промоторларда жиналып, транскрипцияны бастайды. Басталу процесінде қатысатын нақты молекулалық оқиғалар әлі белгісіз, бірақ бұл факторлар базальды транскрипция механизмін құрайды және in vitro жағдайында жұмыс істейтіні дәлелденген. Митохондриялық трансляция әлі толыққанды түсініксіз. In vitro трансляциялары әлі күнге дейін сәтті аяқталған жоқ, бұл жеткілікті мт-мРНК, функционалдық мт-рРНК оқшаулаудың қиындығына және мРНК трансляцияға дейін күрделі өзгерістерге ұшырауына байланысты болуы мүмкін.
Митохондриялық ДНК полимераза
Митохондриялық ДНК полимераза (Pol гамма, POLG генімен кодталған) репликация кезінде мтДНК-ның көшірілуі үшін қолданылады. Шеңберлі мтДНК молекуласындағы екі (ауыр және жеңіл) тізбектің репликацияның әртүрлі бастамалары болғандықтан, ол D-цикл режимінде репликацияланады. Бір тізбек бірінші болып көбейе бастайды, екінші тізбекті ығыстырады. Бұл репликация екінші тізбектегі репликация бастамасына жеткенге дейін жалғасады, содан кейін екінші тізбек қарама-қарсы бағытта репликациялана бастайды. Нәтижесінде екі жаңа мтДНК молекуласы пайда болады. Әрбір митохондрияда мтДНК молекуласының бірнеше көшірмесі болады және мтДНК молекулаларының саны митохондриялық бөлінудің шектеуші факторы болып табылады. Митохондрия жеткілікті мтДНК, мембраналық аудан және мембраналық ақуыздар жинағаннан кейін, бактериялар қолданатынымен ұқсас бөліну арқылы екі митохондрияға айналуы мүмкін. Дәлелдер митохондриялардың бірігуге және генетикалық материалды алмасуға (кроссовер түрінде) қабілетті екенін көрсетеді. Митохондрия кейде үлкен матрицалар құрайды, онда бірігу, бөліну және ақуыз алмасу үнемі жүріп тұрады. Митохондриялар арасында ортақ мтДНК кездеседі (олар біріксе де).
Зақымдану және транскрипция қатесі
Митохондриялық ДНҚ электронды тасымалдау тізбегі арқылы АТФ өндірісі кезінде туындайтын қателерден болатын еркін оттегі радикалдарынан зақымдануға ұшырайды. Бұл қателер генетикалық аурулар, қатерлі ісік және температура өзгерістерінен туындауы мүмкін. Бұл радикалдар мтДНҚ молекулаларын зақымдап немесе өзгертіп, митохондриялық полимеразаның оларды көбейтуін қиындатады. Екі жағдайда да жойылулар, қайта құрылымданулар және басқа да мутациялар пайда болуы мүмкін. Жақындағы зерттеулер митохондрияларда мтДНҚ-ны тексеруге және еркін радикалдардың салдарынан туындаған мутацияларды түзетуге қабілетті ферменттер бар екенін көрсетті. Сүтқоректілер жасушаларында табылған ДНҚ рекомбиназасы да түзету рекомбинация процесіне қатысады деп саналады. Еркін радикалдарға байланысты жойылулар мен мутациялар қартаю процесімен байланысты. Радикалдар мутацияларды тудырады, олар өз кезегінде мутацияланған ақуыздарға, ал олар тағы да көп радикалдарға алып келеді деп есептеледі. Бұл процесс ондаған жылдарға созылуы мүмкін және ми, жүрек, бұлшық еттер және бүйрек сияқты оттегіге тәуелді тіндердегі қартаю процестерімен байланысты. Мұндай өзін-өзі күшейту процестері Паркинсон, Альцгеймер және коронарлық артерия аурулары сияқты дегенеративті аурулардың себебі болуы мүмкін.
Хромосомалық медиацияланған мтДНК репликациялық қателер
Митохондрияның өсуі мен бөлінуі ядролық ДНҚ арқылы реттелетіндіктен, ядролық ДНҚ-дағы мутациялар мтДНҚ репликациясына кең ауқымды әсер ете алады. Кейбір мутациялардың локустары адам хромосомаларында анықталғанымен, осы мутацияларға қатысты нақты гендер мен белоктар әлі іздестіріліп жатыр. Митохондрияның бөлінуі үшін белгілі бір белок қажет. Егер бұл белок (ядрода синтезделген) жеткіліксіз болса, митохондриялар өсе береді, бірақ бөлінбейді. Бұл алып, тиімсіз митохондрияларға алып келеді. Хромосомалық гендердегі немесе олардың өнімдеріндегі қателер митохондриялық полимеразаны тежеу арқылы митохондриялық репликацияға тікелей әсер етуі мүмкін, сонымен қатар мтДНҚ-да тікелей және жанама мутацияларды тудыруы мүмкін. Жанама мутациялар көбінесе ядролық ДНҚ-дан синтезделген кемшікті белоктардың нәтижесінде пайда болатын радикалдардың әсерінен туындайды.
Митохондриялық геномы мен ядролық геномының салымы
Митохондрияда барлығы 3000-ға жуық әр түрлі ақуыз бар, бірақ олардың тек шамамен 13-і митохондриялық ДНК-да кодталған. 3000 түрдегі ақуыздың көп бөлігі АТФ өндіруден басқа да әртүрлі процестерге қатысады, мысалы, порфирин синтезі. Олардың шамамен 3% ғана АТФ өндіруге қатысты ақуыздарды кодтайды. Бұл митохондрияның ақуыз құрамын кодтайтын генетикалық ақпараттың көп бөлігі хромосомалық ДНК-да орналасқандығын және АТФ синтезінен басқа процестерге қатысатындығын білдіреді. Осылайша, митохондрияға әсер ететін мутацияның хромосомалық ДНК-да пайда болу ықтималдығы артады, ол мендельдік заңдылық бойынша мұраға беріледі. Сонымен қатар, хромосомалық мутацияның нақты тіндің ерекше қажеттіліктеріне байланысты әсер етуі мүмкін, мысалы, жоғары энергия қажеттілігіне немесе белгілі бір нейротрансмиттердің немесе нуклеин қышқылының катаболизміне немесе анаболизміне қатысты қажеттіліктерге. Әр митохондрияда митохондриялық геномның бірнеше көшірмесі (адамдарда 2–10) болатындықтан, митохондриялық мутациялар аналық жолмен мұраға берілуі мүмкін, яғни ұрықтандыру алдындағы жұмыртқа жасушасының ішіндегі мтДНК мутациялары арқылы немесе (жоғарыда айтылғандай) хромосомалардағы мутациялар арқылы.
Презентация
Митохондриялық аурулар ауырлығы жағынан белгісізден өлімге дейін жетеді және көбінесе митохондриялық ДНК-ның тұқым қуалайтын, емес, соңынан пайда болған мутацияларынан туындайды. Митохондриядағы белгілі бір мутация митохондриядағы мәселенің ауырлығына және зардап шеккен митохондриялардың тіндеріне байланысты әртүрлі ауруларды тудыруы мүмкін. Керісінше, бірнеше түрлі мутациялар бірдей ауру ретінде көрінуі мүмкін. Митохондриялық аурулардың дербес сипаты (жеке медицинаға қараңыз) оларды дәл анықтауды, диагностикалауды және іздеуді өте қиын жасайды. Кейбір аурулар туған кезде немесе тіпті туылмас бұрын байқалады (көптеген жағдайларда өлімге алып келеді), ал басқалары ересек жасқа жеткенде ғана көрінеді (кеш пайда болатын аурулар). Бұл клеткалар мен тіндер арасындағы мутант және қалыпты митохондриялардың санының әртүрлі болуымен және үнемі өзгеруімен байланысты. Клеткаларда көптеген митохондриялар болғандықтан, бір жасушадағы әртүрлі митохондрияларда мтДНК-ның әртүрлі варианттары болуы мүмкін. Бұл жағдай гетероплазма деп аталады. Белгілі бір тінде мутант және қалыпты митохондриялардың арақатынасы белгілі бір деңгейге жеткенде ауру пайда болады. Бұл арақатынас әр адамда және тіндерде әртүрлі болады (оның энергия, оттегі және метаболизм қажеттіліктеріне, сондай-ақ нақты мутацияның әсеріне байланысты). Митохондриялық аурулар өте көп және әртүрлі. Митохондриялық ДНК-ның бұзылуларынан туындаған аурулардан басқа, көптеген аурулар митохондриялық дисфункциямен байланысты болуы мүмкін, мысалы, қант диабеті, қатерлі ісіктердің және жүрек-қан тамырлары ауруларының түрлері, сүт қышқылының артуы, миопатияның белгілі бір түрлері, остеопороз, Альцгеймер ауруы, Паркинсон ауруы, инсульт, еркектердің сүексіздігі және қартаю процесінде де маңызды рөл атқарады деп есептеледі.
Сот медицинасында қолдану
Адамның мтДНК-сы жеке тұлғаларды анықтауға да қолданылуы мүмкін. Сот-медициналық зертханалар кейде адам дене қалдықтарын, әсіресе ескі, анықталмаған қаңқа қалдықтарын анықтау үшін мтДНК салыстыруын пайдаланады. Ядролық ДНК-дан өзгеше, мтДНК бір ғана адамға тән емес, бірақ оны басқа мәліметтермен (антропологиялық мәліметтер, жағдайлық мәліметтер және т.б.) бірге қолданып, сәйкестендіруге болады. МтДНК жоғалған адамдар мен анықталмаған қалдықтар арасындағы мүмкін болатын сәйкестіктерді жою үшін де қолданылады. Көптеген зерттеушілер мтДНК ядролық ДНК-ға қарағанда ескі қаңқа қалдықтарын анықтауға қолайлырақ деп санайды, себебі бір жасушадағы мтДНК-ның көп көшірмелері пайдалы үлгі алу мүмкіндігін арттырады, сондай-ақ, екеуін көптеген аналық буын бөліп тұрған жағдайда да, тірі туысымен сәйкестік табуға болады.
Мысалдар
Американдық заңгер Джесси Джеймстің қалдықтары оның қалдықтарынан алынған мтДНК-ны оның әпкесінің ұрпақтарының аналық желісінен таралған шөбересінің мтДНК-сымен салыстыру арқылы анықталды. Сол сияқты, Ресейдің соңғы император қызы Александра Федоровна (Аликс Гессенская) мен оның балаларының қалдықтары олардың митохондриялық ДНК-сын Эдинбург герцогы Филипптің митохондриялық ДНК-сымен салыстыру арқылы анықталды, оның анасының әжесі Александраның қарындасы Виктория Гессенская болған. Император Николай II-нің қалдықтарын анықтау үшін оның митохондриялық ДНК-сы Джеймс Карнегидің, 3-ші Файф герцогының митохондриялық ДНК-сымен салыстырылды, оның анасының бабасы Александра Даниялық (патшайым Александра) Николай II-нің анасы Дагмар Даниялықтың (император Мария Федоровна) қарындасы болған. Сол сияқты, Ричард III патшаның қалдықтары да анықталды.