Mitohondrālā DNS

Mitohondriālās DNS shēma

Mitohondriālā DNS jeb mtDNS ir dezoksiribonukleīnskābes (DNS) forma, kas atrodas mitohondrijos — eikariotu šūnu organoīdos, kuri piedalās šūnas enerģijas vielmaiņā. Atšķirībā no lielākās daļas organisma DNS, kas atrodas šūnas kodolā, mitohondriālā DNS atrodas ārpus kodola un veido atsevišķu, parasti gredzenveida genomu.

Cilvēka mitohondriālā DNS ir neliela, divpavedienu, cirkulāra molekula, kuras garums ir 16 569 bāzu pāri. Tā satur 37 gēnus: 13 gēni kodē olbaltumvielas, kas piedalās oksidatīvajā fosforilēšanā, 22 gēni kodē transporta RNS, bet 2 gēni — ribosomālo RNS.

Mitohondriālā DNS ir nozīmīga ģenētikā, evolūcijas bioloģijā, medicīnā, kriminālistikā un ģenealoģijā. Tās īpatnējais pārmantošanas veids, salīdzinoši augstais mutāciju biežums un daudzās kopijas šūnā padara mtDNS par svarīgu avotu cilvēku populāciju izcelsmes, radniecības un slimību izpētē.

Uzbūve

Mitohondriālā DNS vairumam dzīvnieku, tostarp cilvēkam, ir gredzenveida molekula. Tā pēc uzbūves atgādina baktēriju genomu, kas tiek uzskatīts par vienu no pierādījumiem mitohondriju endosimbiotiskajai izcelsmei. Saskaņā ar endosimbiozes teoriju, mitohondriji cēlušies no senām baktērijām, kuras kļuva par pastāvīgiem eikariotu šūnu organoīdiem.

Cilvēka mtDNS ir ļoti kompakta. Tajā ir maz nekodējošu apgabalu, un daži gēni daļēji pārklājas. Atšķirībā no kodola DNS, mitohondriālajā DNS parasti nav intronu, un tās gēnu organizācija ir ekonomiskāka.

Mitohondriālā DNS atrodas daudzās kopijās. Vienā šūnā var būt simtiem vai tūkstošiem mtDNS molekulu, jo šūnā ir daudz mitohondriju un katrā mitohondrijā var atrasties vairākas genoma kopijas.

Funkcijas

Mitohondriālās DNS galvenā funkcija ir kodēt daļu no olbaltumvielām un RNS molekulām, kas nepieciešamas mitohondriju darbībai. Īpaši svarīgi ir 13 proteīnus kodējošie gēni, kuru produkti piedalās elpošanas ķēdē un adenozīntrifosfāta (ATF) sintēzē.

Tomēr lielākā daļa mitohondriju olbaltumvielu netiek kodēta mtDNS. Tās kodē kodola DNS, sintezē citoplazmā un pēc tam transportē mitohondrijos. Tāpēc mitohondriju darbība ir atkarīga gan no mitohondriālā, gan no kodola genoma sadarbības.

Mitohondriji piedalās ne tikai enerģijas ražošanā, bet arī apoptozē, kalcija jonu regulācijā, reaktīvo skābekļa formu veidošanā un vairākos vielmaiņas procesos. Šo funkciju traucējumi var būt saistīti ar dažādām slimībām.

Pārmantošana

Cilvēkiem mitohondriālā DNS parasti tiek pārmantota pa mātes līniju. Tas nozīmē, ka bērns mtDNS saņem galvenokārt no mātes olšūnas, nevis no tēva spermatozoīda. Šāds pārmantošanas veids atšķiras no Mendeļa tipa kodola DNS pārmantošanas, kurā pēcnācējs saņem ģenētisko materiālu no abiem vecākiem.

Mātes līnijas pārmantošana padara mtDNS īpaši noderīgu izcelsmes un radniecības pētījumos. Tā kā mtDNS tiek nodota no mātes bērniem, bet tālāk nākamajām paaudzēm to nodod tikai sievietes, pēc tās var izsekot tiešai mātes līnijai.

Dažos organismos mitohondriālās DNS pārmantošanas mehānismi var atšķirties, tomēr cilvēka ģenētikā mtDNS pārmantošanu parasti raksturo kā maternālu jeb mātes līnijas pārmantošanu.

Homoplazmija un heteroplazmija

Svarīgi mitohondriālās ģenētikas jēdzieni ir homoplazmija un heteroplazmija. Homoplazmija nozīmē, ka šūnā visas vai gandrīz visas mtDNS kopijas ir vienādas. Heteroplazmija nozīmē, ka vienā šūnā vienlaikus pastāv vairākas mtDNS formas, piemēram, normālas un mutētas kopijas.

Heteroplazmijas līmenis var ietekmēt slimības smagumu. Ja mutēto mtDNS kopiju īpatsvars ir neliels, šūna var darboties gandrīz normāli. Ja mutēto kopiju īpatsvars pārsniedz noteiktu slieksni, var parādīties mitohondriālas slimības pazīmes.

Šo parādību sauc par sliekšņa efektu. Tā izskaidro, kāpēc vienas un tās pašas mtDNS mutācijas dažādiem cilvēkiem vai pat dažādos viena organisma audos var izraisīt atšķirīgas izpausmes.

Mutācijas un slimības

Mitohondriālajā DNS var rasties punktmutācijas, delēcijas un citas izmaiņas. Tā kā mitohondriji ir saistīti ar enerģijas ražošanu, mtDNS mutācijas visbiežāk ietekmē audus ar lielu enerģijas patēriņu — smadzenes, muskuļus, sirdi, aknas, acis un nervu sistēmu.

MtDNS mutācijas var būt saistītas ar vairākām mitohondriālām slimībām, piemēram, Lēbera iedzimto optisko neiropātiju, MELAS sindromu, MERRF sindromu un citām slimībām. Šo slimību simptomi var būt muskuļu vājums, neiroloģiski traucējumi, redzes zudums, dzirdes traucējumi, krampji un vielmaiņas problēmas.

Mitohondriālās slimības var izraisīt ne tikai mtDNS mutācijas, bet arī kodola DNS gēnu izmaiņas, jo daudzas mitohondriju darbībai nepieciešamās olbaltumvielas kodē kodola genoms.

Evolūcija un populāciju ģenētika

Mitohondriālā DNS plaši tiek izmantota evolūcijas pētījumos, jo tā pārmantojas galvenokārt pa vienu līniju un salīdzinoši ātri uzkrāj mutācijas. Salīdzinot dažādu cilvēku un populāciju mtDNS secības, iespējams rekonstruēt mātes līniju radniecību un pētīt cilvēku migrācijas vēsturi.

Cilvēku populāciju ģenētikā bieži tiek izmantots jēdziens mitohondriālā Ieva. Tas neapzīmē pirmo sievieti vai vienīgo sava laika sievieti, bet gan pēdējo kopīgo sieviešu līnijas priekšteci, no kuras mtDNS līnijas ir saglabājušās visiem mūsdienu cilvēkiem.

Mitohondriālā DNS tiek izmantota arī citu sugu evolūcijas un radniecības noteikšanā. Tā palīdz veidot filoģenētiskos kokus, pētīt sugu izcelšanos un noteikt populāciju vēsturiskās izmaiņas.

Izmantošana kriminālistikā un ģenealoģijā

Kriminālistikā mtDNS analīze ir īpaši noderīga gadījumos, kad bioloģiskais materiāls ir stipri bojāts vai satur maz kodola DNS. Tā kā mtDNS šūnā ir daudzās kopijās, to biežāk iespējams iegūt no veciem kauliem, zobiem, matiem un degradētiem paraugiem.

Ģenealoģijā mtDNS testēšanu izmanto, lai noteiktu cilvēka mātes līnijas izcelsmi. Šāda analīze neparāda visu cilvēka izcelsmi, jo tā aptver tikai vienu no daudzām senču līnijām — nepārtraukto mātes līniju.

MtDNS analīzei ir arī ierobežojumi. Tā nevar precīzi identificēt visus radniecības veidus, un cilvēkiem ar kopīgu mātes līniju var būt ļoti līdzīgas vai identiskas mtDNS secības arī tad, ja viņu radniecība ir ļoti sena.

Nozīme

Mitohondriālā DNS ir viens no svarīgākajiem ārpus kodola ģenētiskajiem elementiem eikariotu šūnās. Tā nodrošina daļu no mitohondriju enerģētiskās funkcijas, piedalās iedzimtu slimību izcelsmē un sniedz būtisku informāciju par cilvēku un citu organismu evolūciju.

Tās pētījumi apvieno molekulāro bioloģiju, medicīnisko ģenētiku, antropoloģiju, arheoloģiju un tiesu ekspertīzi. Šī iemesla dēļ mtDNS tiek uzskatīta par vienu no nozīmīgākajiem bioloģiskajiem marķieriem gan medicīnā, gan cilvēces vēstures izpētē.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Mitohondrālā DNS.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)