Mitochondriální genetika je genetika DNA obsažené v mitochondriích, eukaryotických buněčných organelách, které vytvářejí adenosintrifosfát z pyruvické kyseliny a jsou proto označovány jako „tahouny“ buňky. Mitochondriální DNA (mtDNA) se nepřenáší jadernou DNA a ve většině mnohobuněčných organismů jsou prakticky všechny mitochondrie děděny z matčina vajíčka.
Mitochondriální dědičnost je tedy jiná než menodelovská, protože mendelovská dědičnost předpokládá, že polovina genetického materiálu zygoty pochází od každého rodiče.
Osmdesát procent mitochondriálních DNA kódů pro funkční mitochondriální proteiny, a proto většina mitochondriálních DNA mutací vede k funkčním problémům, které se mohou projevovat jako myopatie (svalové poruchy).
Pochopení genetických mutací, které ovlivňují mitochondrie, nám může pomoci pochopit vnitřní fungování buněk a organismů, stejně jako pomoci navrhnout metody pro úspěšné terapeutické tkáně a klonování orgánů, a na léčbu nebo případně léky na mnoho devastující svalové poruchy.
Mitochondriální funkce a genom
Vzhledem k tomu, že poskytují 36 molekul ATP na molekulu glukózy na rozdíl od 2 molekul ATP produkovaných glykolýzou, jsou mitochondrie nezbytné pro všechny vyšší organismy pro udržení života. Mitochondriální onemocnění jsou genetické poruchy přenášené specificky v mitochondriální DNA; drobné problémy s kterýmkoli z četných enzymů používaných mitochondriemi mohou být zničující pro buňku, a potažmo pro organismus.
Mitochondriální DNA (mtDNA) je přítomna v mitochondriích jako kruhová molekula a ve většině druhů kóduje 13 nebo 14 proteinů zapojených do elektronového transferového řetězce, 2 podjednotky rRNA a 22 molekul tRNA (všechny nezbytné pro syntézu proteinů). Počet proteinů zapojených do elektronového transferového řetězce je mnohem větší než 13 nebo 14, ale zbytek je ve skutečnosti kódován jadernou DNA.
Celkem mitochondrion hostí asi 3000 proteinů, ale jen asi 37 z nich je kódováno na mitochondriální DNA. Většina z 3000 genů se podílí na různých procesech jiných než produkce ATP, jako je syntéza porfyrinu. Jen asi 3% z nich kódují proteiny produkce ATP. To znamená, že většina genetické informace kódující proteinovou skladbu mitochondrií je v chromozomální DNA a podílí se na jiných procesech než syntéze ATP. To zvyšuje pravděpodobnost, že mutace, která ovlivní mitochondrion, se objeví v chromozomální DNA, která se dědí podle Mendelova vzoru. Dalším výsledkem je, že chromozomální mutace ovlivní specifickou tkáň kvůli jejím specifickým potřebám, ať už se může jednat o vysoké energetické nároky nebo potřebu katabolismu nebo anabolismu specifického neurotransmiteru nebo nukleové kyseliny. Protože každý mitochondrion nese několik kopií mitochondriálního genomu (u lidí 2-10), mohou být mitochondriální mutace zděděny mateřsky pomocí mtDNA mutací, které jsou přítomny v mitochondriích uvnitř oocytu před oplodněním, nebo (jak je uvedeno výše) prostřednictvím mutací v chromozomech.
U lidí nese těžké vlákno mtDNA 28 genů a lehké vlákno mtDNA pouze 9 genů. Osm z 9 genů na lehkém vlákně kóduje mitochondriální tRNA molekuly. Lidská mtDNA se skládá z 16 569 nukleotidových párů. Celá molekula je regulována pouze jednou regulační oblastí, která obsahuje původ replikace těžkých i lehkých vláken. Celá molekula lidské mitochondriální DNA byla zmapována. Počítá se, že rychlost mutace v mtDNA je asi desetkrát vyšší než u jaderné DNA, možná kvůli nedostatku opravných mechanismů DNA. Tato vysoká míra mutace vede k vysokým rozdílům mezi mitochondriemi, a to nejen mezi různými druhy, ale dokonce i v rámci jednoho druhu. Vypočítá se, že pokud jsou dva lidé vybráni náhodně a jejich mtDNA je testována, budou mít v průměru mezi padesáti a sedmdesáti různými nukleotidy. Nemusí se to zdát jako mnoho, ale ve srovnání s celkovým počtem nukleotidů molekuly lidské mitochondriální DNA (16 569) se mezi dvěma lidmi liší až 0,42% mtDNA.
Genetický kód je z větší části univerzální, až na několik výjimek: mitochondriální genetika některé z nich zahrnuje. Pro většinu organismů jsou „stop kodony“„UAA“, „UAG“ a „UGA“. V mitochondriích obratlovců jsou „AGA“ a „AGG“ také stop kodony, ale ne „UGA“, které kódují místo tryptofanu. „AUA“ kódy pro isoleucin u většiny organismů, ale pro methionin u mitochondriálních mRNA/tRNA obratlovců.
Mezi kódy používanými jinými mitochondriálními m/tRNA, které náhodou nejsou škodlivé pro jejich organismy a které mohou být použity jako nástroj (spolu s dalšími mutacemi mezi mtDNA/RNA různých druhů) k určení relativní blízkosti společných předků příbuzných druhů, existuje mnoho dalších variant. (Čím příbuznější dva druhy jsou, tím více mtDNA/RNA mutací bude stejné v jejich mitochondriálním genomu).
Při použití těchto technik se odhaduje, že první mitochondrion se vyvinul, spotřeboval nebo vyvinul asi před 1,5 miliardami let jako aerobní prokaryota v symbiotickém vztahu uvnitř anaerobního eukaryota.
Protože mitochondriální onemocnění (onemocnění způsobená poruchou mitochondrií) mohou být dědičná jak mateřsky, tak chromozomální dědičností, způsob jejich přenosu z generace na generaci se může velmi lišit v závislosti na onemocnění. Mitochondriální genetické mutace, které se vyskytují v jaderné DNA, se mohou objevit v kterémkoli z chromozomů (v závislosti na druhu). Mutace zděděné chromozomy mohou být autozomálně dominantní nebo recesivní a mohou být také pohlavně vázané dominantní nebo recesivní. Chromozomální dědičnost se řídí normálními Mendelovými zákony, a to navzdory skutečnosti, že fenotyp onemocnění může být maskován. Kvůli složitým způsobům, kterými mitochondriální a jaderná DNA „komunikují“ a interagují, je těžké diagnostikovat i zdánlivě jednoduchou dědičnost. Mutace v chromozomální DNA může změnit protein, který reguluje (zvýšení nebo snížení) tvorbu jiné určité bílkoviny v mitochondriích nebo cytoplazmě a může vést k mírným, pokud vůbec nějakým, znatelným příznakům. Na druhou stranu existují některé ničivé mtDNA mutace, které jsou snadno diagnostikovatelné vzhledem k jejich rozsáhlému poškození svalových, nervových a/nebo jaterních (mimo jiné vysoce energeticky a metabolicky závislých) tkání a vzhledem k tomu, že jsou přítomny v matce a všech potomcích. Mitochondriální genomové mutace se přenášejí 100% času z matky na všechny její potomky. Protože mitochondrie uvnitř oplodněného oocytu jsou tím, s čím bude muset nový život začít (pokud jde o mtDNA), a protože počet postižených mitochondrií se liší buňku od buňky (v tomto případě oplodněného oocytu) v závislosti jak na počtu, který zdědil od své mateřské buňky, tak na faktorech prostředí, které mohou upřednostňovat mutantní nebo divoký typ mitochondriální DNA, a protože počet mtDNA molekul v mitochondriích se pohybuje od přibližně dvou do deseti, počet postižených mtDNA molekul zděděných po konkrétním potomkovi se může značně lišit. Je možné, dokonce i u porodů dvojčat, že jedno dítě dostane více než polovinu mutovaných mtDNA molekul, zatímco druhé dvojče může dostat jen nepatrný zlomek mutovaných mtDNA molekul vzhledem k divokému typu (podle toho, jak se dvojčata od sebe dělí a kolik mutantních mitochondrií je náhodou na každé straně dělení). V několika případech některé mitochondrie nebo mitochondrion ze spermie vstoupí do oocytu, ale otcovské mitochondrie jsou aktivně rozloženy.
Replikace, opravy, přepis a překlad
Mitochondriální replikace je řízena jadernými geny a je specificky vhodná k vytvoření tolika mitochondrií, kolik daná buňka v té době potřebuje. Lidská mitochondriální DNA (mtDNA) má tři promotory, H1, H2 a L (těžký řetězec 1, těžký řetězec 2 a promotory lehkého řetězce). Promotor H1 přepisuje celý těžký řetězec a promotor L přepisuje celý světelný řetězec. Promotor H2 způsobuje přepis dvou mitochondriálních rRNA molekul. Když transkripce probíhá na těžkém řetězci, vytvoří se polycistronický přepis. Světelný řetězec vytváří buď malé přepisy, které mohou být použity jako primery, nebo jeden dlouhý přepis. K výrobě primerů dochází zpracováním přepisů lehkého řetězce pomocí mitochondriálního RNase MRP (Mitochondriální RNA Processing). Požadavek transkripce na výrobu primerů spojuje proces transkripce s mtDNA replikací. Plně dlouhé přepisy jsou rozřezány na funkční tRNA, rRNA a mRNA molekuly. Proces iniciace transkripce v mitochondriích zahrnuje tři typy proteinů: mitochondriální RNA polymerázu (POLRMT), mitochondriální transkripční faktor A (TFAM) a mitochondriální transkripční faktory B1 a B2 (TFB1M, TFB2M). POLRMT, TFAM a TFB1M nebo TFB2M se sestaví v mitochondriálních promotorech a zahájí transkripci. Skutečné molekulární události, které se na iniciaci podílejí, nejsou známy, ale tyto faktory tvoří aparát pro bazální transkripci a bylo prokázáno, že fungují in vitro. Mitochondriální transkripce stále není příliš dobře pochopena. In vitro translace stále nebyly úspěšné, pravděpodobně kvůli obtížnosti izolovat dostatečnou mt mRNA, funkční mt rRNA a možná kvůli komplikovaným změnám, kterými mRNA prochází před tím, než je přeložena.
Mitochondriální DNA Polymerázy
Mitochondriální DNA polymeráza (Pol gama) se používá při kopírování mtDNA během replikace. Vzhledem k tomu, že dva (těžké a lehké) řetězce na kruhové molekule mtDNA mají různý původ replikace, replikuje se v D-smyčcové (výtlačné) konfiguraci. Jeden řetězec se začne replikovat jako první a vytlačí druhý řetězec. To pokračuje až do okamžiku, kdy replikace dosáhne původu replikace na druhém řetězci a v tom okamžiku se druhý řetězec bytostí replikuje v opačném směru. Výsledkem jsou dvě nové molekuly mtDNA. Každá mitochondrie má několik kopií molekuly mtDNA a počet molekul mtDNA je limitujícím faktorem mitochondriálního štěpení. Poté, co mitochondrion má dostatek mtDNA, membránové oblasti a membránových proteinů, může projít štěpením (velmi podobným tomu, které používají bakterie) a stát se dvěma mitochondriemi. Důkazy naznačují, že mitochondrie mohou také projít fúzí a výměnou (formou křížení) genetického materiálu mezi sebou. Mitochondrie někdy tvoří velké matrice, ve kterých dochází k fúzi, štěpení a výměně proteinů. mtDNA sdílené mezi mitochondriemi (navzdory skutečnosti, že mohou projít fúzí).
Poškození a chyba přepisu
Mitochondriální DNA je náchylná k poškození volnými kyslíkovými radikály z chyb, které se vyskytují během produkce ATP přes elektronový transportní řetězec. Tyto chyby mohou být způsobeny genetickými poruchami, rakovinou a změnami teploty. Tyto radikály mohou poškodit mtDNA molekuly nebo je změnit, takže je pro mitochondriální polymerázu těžké je replikovat. Oba případy mohou vést k delecím, přeskupení a dalším mutacím. Nedávné důkazy naznačují, že mitochondrie mají enzymy, které korektují mtDNA a fixují mutace, které se mohou vyskytnout v důsledku volných radikálů. Předpokládá se, že rekombinace DNA nalezená v buňkách savců se také podílí na reparačním rekombinačním procesu. Delece a mutace způsobené volnými radikály jsou spojovány s procesem stárnutí. Předpokládá se, že radikály způsobují mutace, které vedou ke zmutovaným proteinům, které zase vedou k většímu množství radikálů. Tento proces trvá mnoho let a je spojován s některými procesy stárnutí, které se podílejí na tkáních závislých na kyslíku, jako je mozek, srdce, svaly a ledviny. Auto-enhancující procesy, jako jsou tyto, jsou možnými příčinami degenerativních onemocnění včetně Parkinsonovy choroby, Alzheimerovy choroby a ischemické choroby srdeční.
Chromosomálně medializované chyby replikace mtDNA
Protože mitochondriální růst a štěpení jsou zprostředkovány jadernou DNA, mohou mít mutace v jaderné DNA širokou škálu účinků na replikaci mtDNA. Navzdory skutečnosti, že lokusy pro některé z těchto mutací byly nalezeny na lidských chromozomech, specifické geny a proteiny, kterých se to týká, nebyly dosud izolovány. Mitochondrie potřebují určitou bílkovinu, aby prošly štěpením. Pokud tato bílkovina (vytvořená jádrem) není přítomna, mitochondrie rostou, ale nedělí se. To vede k obřím, neefektivním mitochondriím. Chyby v chromozomálních genech nebo jejich produktech mohou také ovlivnit mitochondriální replikaci příměji inhibicí mitochondriální polymerázy a mohou dokonce způsobit mutace v mtDNA přímo i nepřímo. Nepřímé mutace jsou nejčastěji způsobeny radikály vytvořenými vadnými proteiny vyrobenými z jaderné DNA.
Závažnost mitochondriálních onemocnění se pohybuje od téměř nediagnostikovatelných až po smrtelné. Také se pohybují v příčinách od dědičných až po získané mutace (i když získané mutace, které způsobují onemocnění, jsou velmi vzácné). Určitá mutace může způsobit několik různých onemocnění v závislosti na závažnosti problému v mitochondriích a tkáni, ve které se postižené mitochondrie nacházejí. Naopak několik různých mutací se může prezentovat jako stejné onemocnění. Tato téměř pacientem specifická charakteristika mitochondriálních onemocnění velmi ztěžuje jejich přesnou diagnostiku a vysledování. Některá onemocnění jsou pozorovatelná při nebo dokonce před narozením (většina způsobuje smrt), zatímco jiná se projevují až v pozdní dospělosti. Je to proto, že počet mutantních versus divokých mitochondrií se liší buňku od buňky a tkáň od tkáně a neustále se mění. Protože buňky mají více mitochondrií, různé mitochondrie ve stejné buňce mohou mít různé variace genomu mtDNA. Tento stav se označuje jako heteroplasmy. Když určitá tkáň dosáhne určitého přídělu mutantních mitochondrií oproti divokým typům, projeví se onemocnění. Příděl se liší od člověka k člověku a od tkáně k tkáni (v závislosti na její specifické energetické náročnosti, kyslíku a metabolismu a účincích specifické mutace). Mitochondriálních onemocnění je velmi mnoho a liší se. Kromě onemocnění, která jsou definitivně způsobena abnormalitami v mitochondriální DNA, existuje podezření, že mnoho onemocnění je způsobeno částečně dysfunkcí mitochondrií, jako je diabetes mellitus, formy rakoviny a kardiovaskulárních onemocnění, laktátová acidóza, specifické formy myopatie, osteoporóza, Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, mrtvice a mnoho dalších. Dále se předpokládá, že mutace mtDNA hrají roli v procesu stárnutí.