LUDZKI GENOM MITOCHONDRIALNY.pdf

(479 KB) Pobierz
Tom 58
2009
Numer 3–4 (284–285)
Strony
555–558
E
wa
B
artnik
Instytut Genetyki i Biotechnologii
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
oraz Instytut Biochemii i Biofizyki PAN
Pawińskiego 5a, 02-106 Warszawa
E-mail: ebartnik@igib.uw.edu.pl
LUDZKI GENOM MITOCHONDRIALNY*
W każdej komórce ludzkiej (z wyjątkiem
erytrocytów) znajdują się mitochondria. W
latach 60. ubiegłego wieku wykryto, że za-
wierają one swój własny DNA, który zse-
kwencjonowano na początku lat 80. ubie-
głego wieku w laboratorium Francisa San-
gera (który za techniki sekwencjonowania
DNA otrzymał swoją drugą nagrodę Nobla).
Ustalono wiele faktów o mitochondriach,
od ewidentnych, takich jak ich rola w pro-
cesie oddychania, poprzez dość nieoczeki-
wane, takie jak stwierdzenie, że mutacje w
tym genomie są odpowiedzialne za wiele
chorób ludzkich, zazwyczaj dających najsil-
niejsze objawy w komórkach mięśniowych
lub nerwowych.
Mitochondria dziedziczone są tylko od
matki. Między genomami mitochondrialnymi
(które w przeciętnej komórce somatycznej
występują w około 5 kopiach na mitochon-
drium, przy kilkuset mitochondriach na ko-
mórkę) rekombinacja, o ile zachodzi, jest na
poziomie na tyle niskim, że możemy trakto-
wać wszystkich potomków jednej matki jako
jednorodną grupę. Oczywiście to nie jest do
końca prawdziwe, bo DNA ulega mutacjom,
i to z większą szybkością niż genom jądro-
wy. Wynika to z kilku przyczyn. Po pierwsze,
DNA mitochondrialny jest położony blisko
głównego źródła wolnych rodników — łań-
cucha oddechowego, poza tym jest pozba-
wiony histonów i nie ma pełnej gamy syste-
mów naprawczych dostępnej w jądrze. Gdy
wszystkie cząsteczki DNA w danej komórce
są takie same, określane to jest jako homo-
plazmia, jeśli są obecne np. DNA zmutowane
i niezmutowane jest to heteroplazmia (w
al
-
lacE
2005).
Wiadomo też, że w czasie powstawania
gamet żeńskich, w którymś momencie w
czasie rozwoju komórki jajowej, obecnych
jest w niej niewiele mitochondriów — może
około 20, choć to są dane dla myszy, nie dla
ludzi — a następnie dzielą się one dochodząc
do około 100 000. Stadium „wąskiego gardła”
z niewielką liczbą mitochondriów jest po-
strzegane jako etap selekcji mitochondriów
aktywnych oddechowo, choć jest to pewne
uproszczenie, ponieważ u kobiet cierpiących
na choroby mitochondrialne produkowane
są między innymi komórki jajowe zawierają-
ce nieomal całkowicie zmutowany DNA. Przy
okazji warto dodać, że u większości osób ma-
jących choroby mitochondrialne DNA w mi-
tochondriach jest mieszaniną normalnego i
zmutowanego.
W latach 80. ubiegłego wieku Alan Wil-
son i jego współpracownicy (c
ann
i współ-
aut. 1987) przebadali DNA kilkudziesięciu
osób z różnych stron świata. Wówczas nie
sekwencjonowano jeszcze zazwyczaj całych
genomów mitochondrialnych, praca ta opie-
ra się na analizie polimorfizmów miejsc re-
strykcyjnych w genomie mitochondrialnym.
Największą różnorodność mitochondrialne-
go DNA znaleziono w Afryce; drzewa spo-
rządzone na podstawie tych wyników (i po-
twierdzone wielokrotnie przez późniejsze
badania) wskazały na wspólnego przodka (a
raczej może na wspólną pramatkę) żyjącą w
*Praca została wykonana w ramach funkcjonowania Polskiej Sieci Mitochondrialnej MitoNet.pl
556
E
wa
B
artnik
Afryce około 180000 lat temu (c
ann
i współ-
aut. 1987;
w
allacE
1995, 2005). Oczywiście
nie była to jedyna wówczas żyjąca kobieta
(stąd nazwa „Ewa” może nie jest do końca
uzasadniona), ale tylko jej mitochondria były
przekazywane z córki na córkę przez wiele
pokoleń aż do czasów współczesnych; inne
mitochondrialne DNA pochodzące od kobiet
żyjących w czasach „Ewy” nie dotrwały do
dzisiaj.
Genom mitochondrialny wydaje się być
idealny do badań ewolucji. Jest mały (16658
par zasad u człowieka), nie ulega rekombina-
cji lub ulega jej na bardzo niskim poziomie,
dostępne są sekwencje nie tylko ludzkich
mitochondrialnych DNA, ale także sekwen-
cje szympansa, goryla i innych ssaków, które
pozawalają na ustalenie momentów rozejścia
się dróg poszczególnych gatunków. Ponie-
waż występuje w wielu kopiach we wszyst-
kich komórkach, daje się go pozyskać z ma-
teriałów muzealnych i kopalnych łatwiej, niż
DNA jądrowy.
Obecnie różne warianty mitochondrial-
nego DNA są poklasyfikowane na grupy o
wspólnym pochodzeniu i zbliżonych sekwen-
cjach, tzw. haplogrupy. W Afryce występują
cztery główne haplogrupy — L0, L1, L2 i L3.
Poza Afryką rozprzestrzeniły się tylko dwie
haplogrupy M i N, pochodzące z L3. W Eu-
ropie z N powstały haplogrupy H, T, U, V,
W, X, I, J i K, w Azji z M i N powstały od-
powiednio haplogrupy C, D i G oraz A, B i
F. Analiza rozmieszczenia poszczególnych ha-
plogrup na świecie pozwoliła na prześledze-
nie migracji ludzi oryginalnie wychodzących
z Afryki i zasiedlających całą naszą planetę
(w
allacE
1995, 2005).
W genomie mitochondrialnym człowieka,
który wielkością jest zbliżony do niewielkie-
go genu jądrowego, zapisana jest informacja
o syntezie 22 tRNA, 2 rRNA i 13 polipepty-
dów wchodzących w skład łańcucha odde-
chowego (patrz artykuł
G
olika
w tym zeszy-
cie KOSMOSU). Polipeptydy te znajdują się
w czterech z pięciu kompleksów łańcucha
oddechowego, jedynie kompleks II jest zło-
żony z białek kodowanych wyłącznie przez
genom jądrowy, w którym zakodowanych
jest też około 1 000 innych białek obecnych
w mitochondriach. Koewolucja genomu mi-
tochondrialnego i jądrowego jest zagadnie-
niem fascynującym, ale jeszcze słabo pozna-
nym (patrz artykuł
G
olika
w tym zeszycie
KOSMOSU). Sama natomiast ewolucja geno-
mu mitochondrialnego stanowi obiekt badań
wielu grup, na coraz bardziej interesującym
poziomie, ponieważ obecnie w bazach da-
nych (mtDB) dostępnych jest ponad 2 000
sekwencji ludzkiego mitochondrialnego DNA
z całego świata (i
nGman
i
G
yllEnstEn
2006)
i baza ta jest ciągle aktualizowana.
W badaniu szybkości zmian mitochon-
drialnego DNA bardzo często porównuje się
szybkość podstawień synonimicznych w po-
równaniu z podstawieniami niesynonimicz-
nymi. Zakłada się, że w każdym punkcie ge-
nomu mutacje mogą zachodzić z równym
prawdopodobieństwem. To czy pozostaną
czy zostaną wyeliminowane zależy od tego,
jaki będą miały wpływ na fenotyp. Ponie-
waż dla genów kodujących białka na fenotyp
wpływa białkowy produkt, uważa się, że jeśli
mutacja powoduje zamianę kodonu dla dane-
go aminokwasu na inny kodon dla dokładnie
tego samego aminokwasu (czyli mutacja sy-
nonimiczna) nie będzie miała wpływu na fe-
notyp. Jeśli mutacja spowoduje, że kodowany
będzie inny niż oryginalny aminokwas, wów-
czas powstające białko będzie inne (mutacja
niesynonimiczna). Mutacja taka może być
szkodliwa i wówczas osobnik z taką mutacją
będzie eliminowany, lub może być korzystna,
wówczas mutacja ma szansę się utrwalić.
Warto tu może dodać, że w ostatnich la-
tach w stosunku do genów kodowanych ją-
drowo znaleziono kilka wyjątków od braku
efektów mutacji synonimicznych. Mutacje
takie mogą powodować zmianę wykorzysty-
wanego tRNA, co z kolej może wpływać na
tempo syntezy białka (nie wszystkie tRNA dla
danej grupy kodonów aminokwasu występu-
ją w komórce na tym samym poziomie), a
tempo syntezy może wpływać na konforma-
cję białka. Także niewinne z pozoru mutacje
synonimiczne mogą wpływać zarówno na
splicing (co może zmieniać sekwencję biał-
ka), jak i na konformację mRNA. Konforma-
cja mRNA może z kolei wpływać na proces
translacji (P
armlEy
i
H
urst
2007). Na szczę-
ście w mitochondriach tego typu efekty ra-
czej nie występują — 22 tRNA odpowiada za
odczytywanie 20 kodonów aminokwasów,
więc dla olbrzymiej większości aminokwa-
sów (z wyjątkiem seryny i leucyny) istnieje
tylko jedna cząsteczka tRNA. Nie ma też in-
tronów, i w zasadzie praktycznie mRNA nie
mają części nie ulegających translacji. W mi-
tochondriach ludzkich istnieje jeden obszar
niekodujący, o długości około 1100 par za-
sad, tzw. pętla D, w której znajdują się miej-
sca inicjacji transkrypcji obu nici i począ-
tek replikacji jednej z nich. Reszta genomu
mitochondrialnego jest ściśle upakowana,
Ludzki genom mitochondrialny
557
prawie wszystkie geny są na jednej nici, na
drugiej jest tylko zakodowane jedno białko i
8 tRNA. Teoretycznie więc w genach kodu-
jących białka (a jest ich 13) można porów-
nywać podstawienia synonimiczne w sto-
sunku do niesynonimicznych a w obszarze
niekodującym pętli D badać częstość zmian
w poszczególnych miejscach. Jeśli zmian
niesynonimicznych jest mało, zachodzi naj-
prawdopodobniej selekcja oczyszczająca. Je-
śli jest ich dużo może to świadczyć o pozy-
tywnej selekcji w danym genie.
Wallace i jego współpracownicy (m
isHmar
i współaut. 2003) określili stosunki zmian nie-
synonimicznych do synonimicznych dla ge-
nów 13 białek kodowanych w mitochondrial-
nym DNA na dużej próbie sekwencji 1 125
genomów mitochondrialnych. Okazało się, że
częstość zmian w jednej z kodowanych mito-
chondrialnie podjednostek ATPazy (gen ATP6)
nie jest stała w różnych strefach geograficz-
nych. W obszarach zimnych gen był bardzo
zmienny, za to był silnie konserwowany w
obszarach tropikalnych, natomiast odwrotne
efekty stwierdzono dla genu cyt. B. Stwierdzo-
no i inne zależne od strefy klimatycznej zmia-
ny, co doprowadziło do postawienia hipotezy,
że mutacje tego typu stanowią przystosowanie
do różnych klimatów. Ta hipoteza, omówiona
obszernie przez
w
allacE
’
a
(2005) nie jest po-
twierdzana we wszystkich badaniach sekwen-
cji mitochondrialnego DNA i obecnie toczą
się dyskusje nad tym, czy metodologia badań,
klasyfikacja haplogrup itp. są prawidłowe. Jed-
nak uzyskiwane wyniki są bardzo ciekawe. Na
przykład
m
oilanEn
i współaut. (2003) wykaza-
li, że różnice w częstości podstawień niesyno-
nimicznych w stosunku do synonimicznych są
różne zarówno dla różnych genów, jak i ha-
plogrup. Stwierdzili na przykład, że w jednej
z haplogrup europejskich, J, jeden z genów
podjednostek kompleksu I, ND5, był praktycz-
nie pozbawiony jakichkolwiek mutacji niesy-
nonimicznych, choć nie stwierdzono tego dla
innych haplogrup. Wiele badań stwierdza tak-
że, że pętla D jest bardzo interesującym ob-
szarem — niektóre nukleotydy wydają się nie
mutować, w innych miejscach mutacje zacho-
dzą często (H
owEll
i wspólaut. 2007).
Oprócz badań nad ewolucją, które są bar-
dzo liczne i nie wszystkie dają wyniki zgodne
z hipotezą Wallace’a o wpływie klimatu na
ewolucję genomu mitochondrialnego (H
o
-
wEll
i współaut. 2007,
s
un
i współaut. 2007),
zainteresowanie budzi ustalenie, na co tak
naprawdę wpływa posiadanie danej haplo-
grupy. Badania asocjacji haplogrup mitochon-
drialnych ze starzeniem, nowotworami i po-
szczególnymi chorobami (choroba Alzheime-
ra, Parkinsona, schizofrenia) czy zjawiskami
(ruchliwość plemników) zajmują sporą część
współczesnej literatury dotyczącej mitochon-
driów i są w wielu przypadkach trudne do
interpretacji. Często wynika to ze zbyt małej
liczebności badanych prób (t
ońska
i współ-
aut. 2009). Fakt, że wyniki często nie są po-
wtarzalne dla innych populacji niż pierwot-
nie badana przypomina sytuację z szukaniem
genów odpowiedzialnych za ludzkie choroby
wieloczynnikowe. Należy pamiętać, że mito-
chondria nie są niezależnymi organellami i
że często zupełnie nie rozumiemy interakcji
jądro-mitochondrium-środowisko. Dla jednej
z najczęstszych chorób mitochondrialnych,
choroby Lebera, mimo wieloletnich badań
nie rozumiemy, dlaczego trzy znane mutacje
mitochondrialne w podjednostkach komplek-
su I, odpowiedzialne za ponad 90% przypad-
ków tej choroby, są warunkiem koniecznym,
ale nie wystarczającym wystąpienia tej cho-
roby, dlaczego najłagodniejsza z tych trzech
mutacji występuje prawie zawsze w haplo-
grupie J, i dlaczego kobiety o wiele rzadziej
od mężczyzn tracą wzrok przy posiadaniu
takiego samego poziomu mutacji (w
allacE
2005).
W nowotworach bardzo często wystę-
pują mutacje w mitochondrialnym DNA. Są
one bardzo różnorodne i na ogół prace po-
legają na porównywaniu zdrowej i rakowej
tkanki u danej grupy pacjentów. Pewne mu-
tacje stwierdza się częściej, pewne rzadziej
dla danej grupy nowotworów, ale choć mia-
no nadzieję, że będą one stanowić markery
rozwoju tej choroby, lub że uda się ustalić
zwiększone czy zmniejszone ryzyko dla pew-
nych haplogrup, w dziedzinie tej – podobnie
jak dla wielu badań dotyczących mitochon-
driów — jest bardzo wiele prac i stosunkowo
mało ciekawych pomysłów. Najciekawszy po-
chodzi znowu od Wallace’a — po kompilacji
wszystkich opublikowanych do 2006 r. muta-
cji mitochondrialnego DNA w nowotworach
doszedł do wniosku, że te mutacje są w ol-
brzymiej większości tymi samymi, które wy-
stępowały w czasie normalnej ewolucji geno-
mu mitochondrialnego (B
randon
i współaut.
2006).
Mitochondria są fascynującym obiektem
badań, a ich ewolucja, rola, zmienność mito-
chondrialnego DNA i wpływ zmian w mito-
chondrialnym DNA na nasze zdrowie będzie
na pewno jeszcze przez wiele lat dostarczać
wielu ciekawych informacji.
558
E
wa
B
artnik
THE HUMAN MITOCHONDRIAL GENOME
Summary
The human mitochondrial genome is a small
16.5 kb circular double-stranded DNA molecule con-
taining 37 genes. Mutations in this DNA can lead to
various diseases, and the mitochondrial DNA (mtD-
NA) genome which is maternally inherited has been
very often used in studies on human evolution. Mi-
tochondria of all humans appear to originate from
one woman who lived in Africa about 180000 years
ago. Various parts of the mtDNA may not evolve at
the same rate, and the different mitochondrial DNA
haplogroups may not be totally functionally equiva-
lent, raising questions as to the involvement of mito-
chondria in various human diseases and the process
of aging.
litEratura
B
randon
m., B
aldi
P., w
allacE
d.
C., 2006.
Mito-
chondrial mutations in cancer.
Oncogene 25,
4647–4662.
c
ann
R. L.,
s
tonEkinG
M.,
w
ilson
A. C., 1987.
Mito-
chondrial DNA and human evolution.
Nature
325: 31–36.
H
owEll
, N.,
E
lson
J. E.,
H
owEll
C.,
t
urnBull
D. M.
2007.
Relative rates of evolution in the coding
and control regions of African mtDNAs.
Mol.
Biol. Evol. 24, 2213–2221.
i
nGman
, M.,
G
yllEnstEn
U., 2006. mtDB:
Human Mi-
tochondrial Genome Database, a resource for
population genetics and medical sciences.
Nucle-
ic Acids Res. 34 (Database issue): D749–51.
m
isHmar
D.,
r
uiz
-P
Esini
E. F.,
G
olik
P.,
m
acaulay
V.,
c
lark
A. G. i współaut., 2003.
Natural selection
shaped regional mtDNA variation in humans.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 171–176.
m
oilanEn
J. S.,
F
innila
S.,
m
ajamaa
K. 2003.
Lineage-
specific delection in human mtDNA: lack of
polymorphisms in a segment of MTND5 gene in
haplogroup J.
Mol. Biol. Evol. 20, 2132–2142.
P
armlEy
J. L.,
H
urst
L. D., 2007.
How do synony-
mous mutaitons affect fitness?
BioEssays 29,
515–519.
s
un
C.,
k
onG
Q.p.,
z
HanG
Y. P., 2007.
The role of cli-
mate in human mitochondrial DNA evolution:
a reappraisal.
Genomics 89, 338–342.
t
ońska
K.,
s
ołyGa
A.,
B
artnik
E. 2009.
Mitochon-
dria and aging: innocent bystanders or guilty
parties?
J. Appl. Genet. 50, 55–62.
w
allacE
D. C., 1995.
Mitochondrial DNA in human
evolution, degenerative disease, and aging.
Am.
J. Hum. Genet. 57, 201–203.
w
allacE
D. C., 2005.
A mitochondrial paradigm
of metabolic and degenerative diseases, aging
and cancer: a dawn for evolutionary medicine.
Annu. Rev Genet 39, 359–407.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin