Идентичность и мутации митохондриальной ДНК в клетке.

Введение

Идентичность последовательностей органеллярной ДНК в клетке

Гомоплазма – это термин, используемый в генетике для описания эукариотической клетки, все копии митохондриальной ДНК которой идентичны. В нормальных и здоровых тканях все клетки гомоплазматичны. Гомоплазматические копии митохондриальной ДНК могут быть как нормальными, так и мутировавшими (при этом мутации встречаются лишь в некоторых копиях митохондриальной ДНК). Однако было установлено, что мутации гомоплазматической митохондриальной ДНК могут обнаруживаться в опухолях человека. Этот термин также может относиться к однородности пластидной ДНК растений, возникающей как естественным путем, так и иным образом.

Наследие

Почти у всех видов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Исследователи также полагают, что это может быть следствием гибридизации видов. Многие заболевания, вызванные мутациями в митохондриальной ДНК, не передаются по наследству, а развиваются, поскольку не кодирующая область митохондриальной ДНК (мтДНК) считается особенно подверженной мутациям. Многие типы рака являются результатом мутаций в мтДНК. Например, был обнаружен специфический тип мутации в определенной области мтДНК у нескольких различных типов опухолей. Митохондрии часто подвергаются делению и слиянию, что означает, что различные органеллы в одной клетке могут сливаться, образуя одну митохондрию, или разделяться, образуя две. Этот процесс может использоваться для смягчения последствий гетероплазматических мутаций. Каждая митохондрия содержит несколько нуклеоидов, состоящих из нескольких копий мтДНК, и при слиянии митохондрий эти нуклеоиды не обмениваются ДНК; следовательно, если две митохондрии с разной ДНК сливаются, у них будет только два типа нуклеоидов. Это означает, что слияние может быть использовано для создания дополнительных нуклеоидов, если мутация приводит к потере функциональности одной митохондрии. Кроме того, деление может привести к тому, что одна митохондрия с двумя различными нуклеоидами разделится на две митохондрии, каждая из которых будет содержать только один тип нуклеоида. Хотя заболевание передается по материнской линии, оно чаще встречается у молодых мужчин, чем в других возрастных группах или у женщин, что заставляет исследователей полагать, что существуют другие генетические или экологические факторы, способствующие развитию заболевания. Экологические факторы, особенно курение, оказывают влияние на пенетрантность LHON. В одном исследовании использовался конденсат сигаретного дыма для демонстрации влияния курения на клетки с мутацией LHON. Все клетки были гомоплазматическими, но некоторые были взяты у людей, страдающих LHON, а другие – у носителей мутации. Исследователи обнаружили, что конденсат сигаретного дыма снижает количество митохондрий в клетках, но носители мутации лучше справлялись с этим, чем люди с LHON. Несмотря на наличие дополнительного экологического эффекта, еще многое предстоит узнать о том, почему некоторые гомоплазматические особи заболевают, а другие – нет.

In almost every species, mitochondrial DNA is maternally inherited. Researchers also believe that this could be a by product of species hybridization. Many diseases resulting from mutations in mitochondrial DNA are not inherited but developed as the untranslated region of mitochondrial DNA (mtDNA) is thought to be particularly susceptible to mutation. Many cancer types are the result of mutations in the mtDNA. For example, a specific type of mutation in one specific area of mtDNA was found to be in several different tumor types. Mitochondria often undergo fission and fusion, which means that different organelles in the same cell can fuse together to become one mitochondria, or can break apart and become two. This process can be used to mitigate the effects of heteroplasmic mutations. Each mitochondria has multiple nucleoids, which consist of several copies of mtDNA, and when mitochondria fuse together, these nucleoids do not exchange DNA; therefore, if two mitochondria that have different DNA fuse together, they will have only two types of nucleoids. This means that fusion can be used to generate complementary nucleoids if a mutation causes one mitochondria to no longer be functional. Additionally, fission can cause one mitochondria with two different nucleoids to become two mitochondria each with only one type of nucleoid. Although it is passed down maternally, it is seen more often in young men than in other ages or sexes, which leads researchers to believe that there are many other genetic or environmental factors that contribute to developing the disease. Environmental factors, cigarette smoke in particular, have been shown to affect LHON's penetrance. In one study, cigarette smoke condensate was used to demonstrate the effects of smoking on cells with the LHON mutation. All cells were homoplasmic, but some were from individuals who were afflicted with LHON and some were from individuals who were just carriers. The researchers found that cigarette smoke condensate lowered the amount of mitochondria in the cells, but that carrier individuals were better able to compensate than those from individuals with LHON. Though there is an additive environmental effect, there is more to learn about why certain homoplasmic individuals have the disease and others do not.

Рак

Некоторые исследования показали, что унаследованная гетероплазменная мутация может приводить к развитию рака в пожилом возрасте по мере того, как клетки становятся гомоплазменными. В одном исследовании врачи обнаружили, что опухоль у пациента с раком состояла исключительно из гомоплазматических клеток с мутантной мтДНК, в то время как здоровые клетки в его организме были гетероплазматичными по мутантной мтДНК. Кроме того, исследователи выявили ту же гетероплазменную мутацию у братьев и сестер пациента. Это свидетельствует о том, что гетероплазменная мутация была унаследована и со временем привела к появлению гомоплазматических клеток, вызвавших рак.