Введение

Изучение митохондриального генома человека.

[[File:Human karyotype with bands and sub bands. png|thumb|Схематическая кариограмма, показывающая геном человека с 23 парами хромосом, и митохондриальный геном человека в масштабе в левом нижнем углу (обозначен как "MT"). Его геном относительно мал по сравнению с остальными, и количество его копий в человеческой клетке варьируется от 0 (эритроциты).
Митохондриальное наследование, следовательно, не является менделевским, поскольку менделевское наследование предполагает, что половина генетического материала оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) происходит от каждого родителя. Это позволило создать митохондриальные гаплогруппы ДНК для изучения популяционной генетики. Восемьдесят процентов митохондриальной ДНК кодирует митохондриальную РНК, и поэтому большинство мутаций митохондриальной ДНК приводят к функциональным нарушениям, которые могут проявляться в виде мышечных расстройств (миопатий). Поскольку они обеспечивают 30 молекул АТФ на молекулу глюкозы, в отличие от 2 молекул АТФ, производимых гликолизом, митохондрии необходимы для поддержания жизни всех высших организмов. Митохондриальные заболевания – это генетические расстройства, обусловленные мутациями в митохондриальной ДНК или ядерной ДНК, кодирующей компоненты митохондрий. Даже незначительные проблемы с любым из многочисленных ферментов, используемых митохондриями, могут быть губительны для клетки, а следовательно, и для организма.

Количество

У людей митохондриальная ДНК (мтДНК) образует замкнутые кольцевые молекулы, содержащие 16 569 пар оснований ДНК, при этом каждая такая молекула обычно содержит полный набор митохондриальных генов. Каждый человеческий митохондрий содержит в среднем около 5 таких молекул мтДНК, при этом их количество варьируется от 1 до 15. Лимфоциты: 3 митохондрии на клетку. Яйцеклетка: зрелые яйцеклетки метафазы II могут содержать 100 000 митохондрий и от 50 000 до 1 500 000 копий митохондриального генома (что соответствует до 90% ДНК яйцеклетки).

Гены

Гены в митохондриальном геноме человека следующие.

Расположение генов

Митохондриальная ДНК традиционно имела две цепи ДНК, обозначаемые как тяжелая и легкая, из-за их различной плавучести при разделении в градиентах хлорида цезия, что оказалось связано с относимым содержанием нуклеотидов G+T в цепи. Однако путаница в обозначении этих цепей широко распространена и, по-видимому, возникла из-за идентификации основной кодирующей цепи как тяжелой в одной влиятельной статье 1999 года. Восемь из девяти генов на тяжелой цепи кодируют молекулы митохондриальной тРНК. Митохондриальная ДНК человека состоит из 16 569 пар нуклеотидов. Вся молекула регулируется единственным регуляторным участком, содержащим начала репликации обеих цепей – тяжелой и легкой. Полная карта молекулы митохондриальной ДНК человека составлена.

Варианты генетического кода

Генетический код в основном универсален, за небольшим числом исключений: некоторые из них встречаются в митохондриальной генетике. Для большинства организмов "стоп-кодоны" – это "UAA", "UAG" и "UGA". В митохондриях позвоночных "AGA" и "AGG" также являются стоп-кодонами, но "UGA" кодирует триптофан, а не является стоп-кодоном. "AUA" кодирует изолейцин у большинства организмов, но метионин в митохондриальной мРНК позвоночных. Существует множество других вариаций в кодах, используемых другими митохондриальными мтРНК, которые оказались безвредными для их организмов и могут использоваться как инструмент (вместе с другими мутациями в мтДНК/РНК различных видов) для определения степени родства и общего происхождения связанных видов. (Чем ближе родство двух видов, тем больше мутаций мтДНК/РНК будет совпадать в их митохондриальном геноме). С помощью этих методов оценивается, что первые митохондрии появились около 1,5 миллиарда лет назад. Общепринятая гипотеза предполагает, что митохондрии произошли от аэробных прокариот, вступивших в симбиотические отношения с анаэробными эукариотами.

Репликация, ремонт, транскрипция и перевод

Репликация митохондрий контролируется ядерными генами и специально настроена на создание такого количества митохондрий, какое необходимо конкретной клетке в данный момент времени. Митохондриальная транскрипция у человека инициируется тремя промоторами: H1, H2 и L (тяжелая нить 1, тяжелая нить 2 и промоторы легкой нити). Промотор H2 транскрибирует почти всю тяжелую нить, а промотор L транскрибирует всю легкую нить. Промотор H1 вызывает транскрипцию двух митохондриальных молекул рРНК. При транскрипции на тяжелой нити образуется полицистронный транскрипт. Легкая нить производит либо короткие транскрипты, которые могут использоваться в качестве праймеров, либо один длинный транскрипт. Образование праймеров происходит в результате обработки транскриптов легкой нити с помощью митохондриальной РНКазы MRP (Mitochondrial RNA Processing). Необходимость транскрипции для производства праймеров связывает процесс транскрипции с репликацией мтДНК. Транскрипты полной длины разрезаются на функциональные молекулы тРНК, рРНК и мРНК. Процесс инициации транскрипции в митохондриях включает три типа белков: митохондриальную РНК-полимеразу (POLRMT), митохондриальный транскрипционный фактор А (TFAM) и митохондриальные транскрипционные факторы B1 и B2 (TFB1M, TFB2M). POLRMT, TFAM и TFB1M или TFB2M собираются у митохондриальных промоторов и начинают транскрипцию. Конкретные молекулярные события, участвующие в инициации, неизвестны, но эти факторы составляют базовый механизм транскрипции и, как было показано, функционируют in vitro. Митохондриальный трансляционный процесс до сих пор изучен недостаточно хорошо. Трансляции in vitro пока не увенчались успехом, вероятно, из-за трудностей с выделением достаточного количества мт-мРНК, функциональной мт-рРНК и, возможно, из-за сложных изменений, которым подвергается мРНК перед трансляцией.

Полимераза митохондриальной ДНК

Полимераза митохондриальной ДНК (Pol gamma, кодируемая геном POLG) используется для копирования мтДНК во время репликации. Поскольку две (тяжелая и легкая) цепи на круглой молекуле мтДНК имеют разные точки начала репликации, репликация происходит в D-петлевом режиме. Одна цепь начинает реплицироваться первой, вытесняя другую. Этот процесс продолжается до тех пор, пока репликация не достигнет точки начала репликации на другой цепи, после чего другая цепь начинает реплицироваться в противоположном направлении. В результате образуются две новые молекулы мтДНК. Каждый митохондрий содержит несколько копий молекулы мтДНК, и количество молекул мтДНК является лимитирующим фактором при делении митохондрий. Когда митохондрия накапливает достаточное количество мтДНК, мембранной поверхности и мембранных белков, она может делиться (процесс, очень похожий на деление бактерий), образуя два митохондрия. Имеются данные, свидетельствующие о том, что митохондрии также могут сливаться и обмениваться генетическим материалом друг с другом (в форме кроссинговера). Митохондрии иногда формируют крупные сети, в которых постоянно происходят слияние, деление и обмен белками. мтДНК распространяется между митохондриями, несмотря на их способность к слиянию.

Повреждение и ошибка транскрипции

Митохондриальная ДНК подвержена повреждениям, вызванным свободными кислородными радикалами, возникающими из-за ошибок при производстве АТФ в ходе цепи переноса электронов. Эти ошибки могут быть обусловлены генетическими нарушениями, раком и колебаниями температуры. Эти радикалы способны повреждать молекулы мтДНК или изменять их, что затрудняет репликацию митохондриальной полимеразой. В обоих случаях это может приводить к делециям, перестройкам и другим мутациям. Недавние исследования показали, что в митохондриях присутствуют ферменты, осуществляющие корректуру мтДНК и устраняющие мутации, вызванные свободными радикалами. Предполагается, что ДНК-рекомбиназа, обнаруженная в клетках млекопитающих, также участвует в репаративной рекомбинации. Делеции и мутации, вызванные свободными радикалами, связаны с процессом старения. Считается, что радикалы вызывают мутации, приводящие к образованию мутантных белков, которые, в свою очередь, способствуют образованию еще большего количества радикалов. Этот процесс занимает годы и связан с процессами старения в тканях, зависящих от кислорода, таких как мозг, сердце, мышцы и почки. Подобные процессы самоподдержания могут быть причинами развития дегенеративных заболеваний, включая болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и ишемическую болезнь сердца.

Хромосомно-посредничаемые ошибки репликации мтДНК

Поскольку рост и деление митохондрий регулируются ядерной ДНК, мутации в ядерной ДНК могут оказывать широкий спектр воздействий на репликацию мтДНК. Несмотря на то, что участки некоторых из этих мутаций были обнаружены на человеческих хромосомах, конкретные гены и белки, вовлеченные в эти процессы, пока не выделены. Для прохождения деления митохондриям необходим определенный белок. Если этот белок (синтезируемый ядром) отсутствует, митохондрии растут, но не делятся. Это приводит к образованию гигантских, неэффективных митохондрий. Дефекты в хромосомных генах или их продуктах также могут более непосредственно влиять на репликацию митохондрий, ингибируя митохондриальную полимеразу, и даже вызывать мутации в мтДНК как напрямую, так и косвенно. Косвенные мутации чаще всего вызываются свободными радикалами, образующимися в результате работы дефектных белков, синтезированных из ядерной ДНК.

Вклад митохондриального генома в сравнении с ядерным

В общей сложности в митохондрии содержится около 3000 различных типов белков, но только около 13 из них кодируются митохондриальной ДНК. Большинство из этих 3000 типов белков участвуют в разнообразных процессах, помимо производства АТФ, таких как синтез порфиринов. Лишь около 3% из них кодируют белки, участвующие в производстве АТФ. Это означает, что основная часть генетической информации, определяющей белковый состав митохондрий, находится в хромосомной ДНК и вовлечена в процессы, отличные от синтеза АТФ. Это повышает вероятность того, что мутация, влияющая на митохондрию, произойдет в хромосомной ДНК, которая наследуется по менделевским правилам. Кроме того, хромосомная мутация повлияет на конкретную ткань, учитывая ее специфические потребности, будь то высокие энергетические затраты или необходимость катаболизма или анаболизма определенного нейротрансмиттера или нуклеиновой кислоты. Поскольку каждое митохондриальное тело содержит несколько копий митохондриального генома (от 2 до 10 у человека), митохондриальные мутации могут передаваться по материнской линии через мутации мтДНК, присутствующие в митохондриях яйцеклетки до оплодотворения, или (как указано выше) посредством мутаций в хромосомах.

Презентация

Митохондриальные заболевания варьируются по степени тяжести от бессимптомных до фатальных и чаще всего обусловлены унаследованными, а не приобретенными мутациями митохондриальной ДНК. Определенная митохондриальная мутация может вызывать различные заболевания в зависимости от степени выраженности проблемы в митохондриях и типа пораженной ткани. В то же время, несколько различных мутаций могут проявляться в виде одного и того же заболевания. Эта почти индивидуальная характеристика митохондриальных заболеваний (см. Персонализированная медицина) затрудняет их точное распознавание, диагностику и отслеживание. Некоторые заболевания проявляются при рождении или даже до него (многие из них приводят к летальному исходу), в то время как другие становятся заметными лишь в позднем возрасте (заболевания с поздним началом). Это связано с тем, что соотношение мутантных и нормальных митохондрий варьируется в разных клетках и тканях и постоянно меняется. Поскольку клетки содержат множество митохондрий, различные митохондрии в одной и той же клетке могут иметь разные варианты мтДНК. Это состояние называется гетероплазмией. Когда в определенной ткани достигается определенное соотношение мутантных и нормальных митохондрий, заболевание проявляется. Это соотношение варьируется у разных людей и в разных тканях (в зависимости от их специфических потребностей в энергии, кислороде и метаболизме, а также от эффектов конкретной мутации). Митохондриальные заболевания многочисленны и разнообразны. Помимо заболеваний, вызванных аномалиями митохондриальной ДНК, многие другие заболевания, как предполагается, частично связаны с митохондриальной дисфункцией, такие как сахарный диабет, некоторые формы рака и сердечно-сосудистые заболевания, молочнокислый ацидоз, определенные формы миопатии, остеопороз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инсульт, мужское бесплодие, а также считается, что они играют роль в процессе старения.

Использование в криминалистике

МтДНК человека также может быть использована для идентификации личности. Судебные лаборатории иногда применяют сравнение мтДНК для идентификации человеческих останков, особенно старых неопознанных скелетных останков. Хотя, в отличие от ядерной ДНК, мтДНК не уникальна для конкретного человека, её можно использовать в сочетании с другими данными (антропологическими данными, косвенными уликами и т.п.) для установления идентификации. МтДНК также применяется для исключения возможных совпадений между пропавшими без вести и неопознанными останками. Многие исследователи полагают, что мтДНК лучше подходит для идентификации старых скелетных останков, чем ядерная ДНК, поскольку большее количество копий мтДНК в клетке повышает вероятность получения пригодного образца, и поскольку возможно установление соответствия с живым родственником, даже если их разделяют многочисленные поколения по материнской линии.

Примеры

Останки американского преступника Джесси Джеймса были идентифицированы путем сравнения мтДНК, извлеченной из его останков, с мтДНК сына правнучки по женской линии его сестры. Аналогичным образом, останки Александры Федоровны (Аликс Гессенской), последней императрицы России, и ее детей были идентифицированы сравнением их митохондриальной ДНК с митохондриальной ДНК принца Филиппа, герцога Эдинбургского, чья бабушка по материнской линии, Виктория Гессенская, была сестрой Александры. Подобным образом для идентификации останков императора Николая II его митохондриальную ДНК сравнили с митохондриальной ДНК Джеймса Карнеги, 3-го герцога Файфа, чья прабабушка по материнской линии, Александра Датская (королева Александра), была сестрой матери Николая II, Дагмары Датской (императрицы Марии Федоровны). Так же были идентифицированы останки короля Ричарда III.