Ανθρώπινη μιτοχονδριακή γενετική

Ποσότητα

Στους ανθρώπους, το μιτοχονδριακό DNA (mtDNA) σχηματίζει κλειστά κυκλικά μόρια που περιέχουν 16.569 ζεύγη βάσεων DNA, με καθένα από αυτά τα μόρια να περιέχει κανονικά ένα πλήρες σύνολο μιτοχονδριακών γονιδίων. Κάθε ανθρώπινο μιτοχόνδριο περιέχει, κατά μέσο όρο, περίπου 5 τέτοια μόρια mtDNA, με το εύρος της ποσότητας να είναι μεταξύ 1 και 15. Κάθε ανθρώπινο κύτταρο περιέχει περίπου 100 μιτοχόνδρια, δίνοντας έναν συνολικό αριθμό μορίων mtDNA ανά ανθρώπινο κύτταρο περίπου 500.

Γονίδια

Τα γονίδια στο "ανθρώπινο μιτοχονδριακό γονιδίωμα" είναι ως ακολούθως.

Θέση των γονιδίων

Το μιτοχονδριακό DNA έχει παραδοσιακά δύο αλυσίδες DNA που ονομάζονται η βαριά και η ελαφριά αλυσίδα, λόγω των πυκνοτήτων κατακρήμνισής τους κατά τον διαχωρισμό σε διαβαθμίσεις χλωριούχου καισίου, που βρέθηκε να σχετίζεται με το σχετικό νουκλεοτιδικό περιεχόμενο σε G+T της αλυσίδας. Όμως, η σύγχυση της ονομασίας αυτών των αλυσίδων είναι πλατιά και φαίνεται ότι προκύπτει με μια ταυτοποίηση της πλειοψηφίας της κωδικοποιητικής αλυσίδας ως της βαριάς σε ένα σημαντικό άρθρο το 1999. Στους ανθρώπους η ελαφριά αλυσίδα του mtDNA φέρει 28 γονίδια και η βαριά αλυσίδα του mtDNA φέρει μόνο 9 γονίδια. 8 από τα 9 γονίδια της βαριάς αλυσίδας κωδικοποιούν μιτοχονδριακά μόρια tRNA. Το ανθρώπινο mtDNA αποτελείται από 16.569 ζεύγη νουκλεοτιδίων. Το συνολικό μόριο ρυθμίζεται από μία μόνο ρυθμιστική περιοχή που περιέχει τις αρχικές περιοχές αντιγραφής και των ελαφριών και των βαριών αλυσίδων. Το συνολικό ανθρώπινο μιτοχονδριακό μόριο του DNA έχει χαρτογραφηθεί.

Παραλλαγές του γενετικού κώδικα

Ο γενετικός κώδικας είναι, κατά το μεγαλύτερο τμήμα, καθολικός, με λίγες εξαιρέσεις: η μιτοχονδριακή γενετική περιλαμβάνει μερικές από αυτές. Για τους περισσότερους οργανισμούς τα "κωδικόνια τερματισμού (stop codons)" είναι τα "UAA", "UAG" και "UGA". Στα μιτοχόνδρια των σπονδυλωτών τα "AGA" και "AGG" είναι επίσης κωδικόνια τερματισμού, αλλά όχι το "UGA", που κωδικοποιεί την τρυπτοφάνη. Το "AUA" κωδικοποιεί την ισολευκίνη στους περισσότερους οργανισμούς αλλά τη μεθειονίνη στο μιτοχονδριακό mRNA των σπονδυλωτών.
Υπάρχουν πολλές άλλες ποικιλίες μεταξύ των χρησιμοποιούμενων κωδικών από άλλα μιτοχονδριακά m/tRNA, που συμβαίνει να μην είναι επιβλαβή στους οργανισμούς τους και που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλείο (μαζί με τις άλλες μεταλλάξεις του mtDNA/RNA διαφόρων ειδών) για τον καθορισμό σχετικής εγγύτητας του κοινού προγόνου των σχετικών ειδών. (Όσο πιο σχετικά είναι δύο είδη, τόσο περισσότερες μεταλλάξεις του mtDNA/RNA θα είναι οι ίδιες στο μιτοχονδριακό τους γονιδίωμα).
Χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές, εκτιμάται ότι τα πρώτα μιτοχόνδρια εμφανίστηκαν 1,5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Μια γενικά αποδεκτή θεωρία είναι ότι τα μιτοχόνδρια δημιουργήθηκαν ως αερόβιοι προκαρυώτες σε συμβιωτική σχέση με αναερόβιους ευκαρυώτες.

Αντιγραφή, επισκευή, μεταγραφή και μετάφραση

Η μιτοχονδριακή αναπαραγωγή ελέγχεται από πυρηνικά γονίδια και είναι κατάλληλη ιδιαίτερα στην παραγωγή τόσων μιτοχονδρίων όσων χρειάζεται το συγκεκριμένο κύτταρο τότε.
Η μιτοχονδριακή μεταγραφή στους ανθρώπους αρχικοποιείται από 3 υποκινητές, H1, H2 και L (υποκινητές βαριάς αλυσίδας 1, βαριάς αλυσίδας 2 και ελαφριάς αλυσίδας). Ο υποκινητής H2 μεταγράφει σχεδόν ολόκληρη τη βαριά αλυσίδα και ο υποκινητής L μεταγράφει ολόκληρη τη ελαφριά αλυσίδα. Ο υποκινητής H1 προκαλεί τη μεταγραφή των δύο μιτοχονδριακών μορίων rRNA.
Όταν η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στη βαριά αλυσίδα δημιουργείται μια πολυσιστρονική μεταγραφή. Η ελαφριά αλυσίδα παράγει είτε μικρές μεταγραφές, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εκκινητές (primers), ή μια μεγάλη μεταγραφή. Η παραγωγή των εκκινητών συμβαίνει από την επεξεργασία των μεταγραφών της ελαφριάς αλυσίδας με τη μιτοχονδριακή ριβονουκλεάση MRP (επεξεργασία μιτοχονδριακού RNA (Mitochondrial RNA Processing)). Η απαίτηση της μεταγραφής για την παραγωγή εκκινητών συνδέει την επεξεργασία μεταγραφής με την αντιγραφή mtDNA. Οι μεταγραφές πλήρους μήκους διαιρούνται σε λειτουργικά tRNA, rRNA και μόρια mRNA.
Η διεργασία της εκκίνησης της μεταγραφής στα μιτοχόνδρια περιλαμβάνει 3 τύπους πρωτεϊνών: τη μιτοχονδριακή πολυμεράση RNA (POLRMT), τον παράγοντα μιτοχονδριακής μεταγραφής A (TFAM) και τους παράγοντες μιτοχονδριακής μεταγραφής B1 και B2 (TFB1M, TFB2M). Οι POLRMT, TFAM και TFB1M ή TFB2M συγκεντρώνονται στους μιτοχονδριακούς υποκινητές και ξεκινούν τη μεταγραφή. Τα ενεργά μοριακά γεγονότα που εμπλέκονται στην έναρξη είναι άγνωστα, αλλά αυτοί οι παράγοντες αποτελούν τον βασικό μεταγραφικό μηχανισμό και έχει αποδειχθεί να λειτουργούν σε εργαστηριακές συνθήκες.
Η μιτοχονδριακή μεταγραφή δεν είναι ακόμα πολύ καλά κατανοητή. Οι In vitro μεταφράσεις δεν είναι ακόμα επιτυχείς, προφανώς λόγω της δυσκολίας απομόνωσης επαρκούς mt mRNA, λειτουργικού mt rRNA και πιθανόν λόγω των περίπλοκων αλλαγών που υφίσταται το mRNA πριν να μεταφραστεί.

Μιτοχονδριακή πολυμεράση DNA

Η μιτοχονδριακή πολυμέραση DNA (πολυμεράση γάμμα (Pol gamma), που κωδικοποιείται από το γονίδιο POLG) χρησιμοποιείται στην αντιγραφή του mtDNA κατά την αναπαραγωγή. Λόγω των δύο  (βαριών και ελαφριών) αλυσίδων στο κυκλικό μόριο mtDNA έχουν διαφορετικές περιοχές εκκίνησης της αντιγραφής (Origin of replication), πολλαπλασιάζεται με έναν τρόπο βρόχου μετατόπισης. Η μία αλυσίδα ξεκινά να αναπαράγεται πρώτη, μετατοπίζοντας την άλλη αλυσίδα. Αυτό συνεχίζεται μέχρι ο αναδιπλασιασμός να φτάσει στην περιοχή έναρξης της αναπαραγωγής στην άλλη αλυσίδα, οπότε ξεκινά τον αναδιπλασιασμό η άλλη αλυσίδα στην αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό καταλήγει σε δύο νέα μόρια mtDNA. Κάθε μιτοχόνδριο έχει αρκετά αντίγραφα του μορίου του mtDNA και ο αριθμός των μορίων του mtDNA είναι περιοριστικός παράγοντας στη μιτοχονδριακή σχάση. Αφού το μιτοχόνδριο αποκτήσει επαρκές mtDNA, περιοχή μεμβράνης και μεμβρανικές πρωτεΐνες, μπορεί να υποστεί διάσπαση (πολύ παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιούν τα βακτήρια) για να παραχθούν δύο μιτοχόνδρια. Στοιχεία προτείνουν ότι τα μιτοχόνδρια μπορούν επίσης να υποστούν συγχώνευση και ανταλλάσσουν (με μια μορφή επιχιασμού) γενετικό υλικό μεταξύ τους. Τα μιτοχόνδρια σχηματίζουν μερικές φορές μεγάλες ουσίες στις οποίες συμβαίνουν συνεχώς ανταλλαγές σχάσης και συγχώνευσης. Το mtDNA μοιράζεται μεταξύ των μιτοχονδρίων (παρά το γεγονός ότι μπορεί να υποστεί συγχώνευση).

Βλάβες και σφάλματα μεταγραφής

Το μιτοχονδριακό DNA είναι ευπαθές σε βλάβες από ελεύθερες χημικές ρίζες από σφάλματα που συμβαίνουν κατά την παραγωγή του ATP μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτά τα σφάλματα μπορεί να προκληθούν από γενετικές διαταραχές, καρκίνο και διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Αυτές οι ρίζες  μπορεί να βλάψουν τα μόρια mtDNA ή να τα αλλάξουν, καθιστώντας δύσκολη την αναπαραγωγή τους από τη μιτοχονδριακή πολυμεράση. Και στις δυο περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε διαγραφές, αναδιατάξεις και άλλες μεταλλάξεις. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι τα μιτοχόνδρια έχουν ένζυμα που επιδιορθώνουν το mtDNA και μεταλλάξεις που μπορούν να συμβούν λόγω των ελευθέρων ριζών. Πιστεύεται ότι μια ανασυνδυασμάση του DNA που βρέθηκε σε κύτταρα θηλαστικών εμπλέκεται επίσης σε μια επισκευαστική διεργασία ανασυνδυασμού. Οι διαγραφές και οι μεταλλάξεις λόγω των ελευθέρων ριζών έχουν συσχετιστεί με τη διεργασία της γήρανσης. Πιστεύεται ότι οι ρίζες προκαλούν μεταλλάξεις που οδηγούν σε μεταλλαγμένες πρωτεΐνες, που με τη σειρά τους οδηγούν σε περισσότερες ρίζες. Αυτή η διαδικασία παίρνει πολλά χρόνια και συνδέεται με κάποιες διεργασίες γήρανσης που εμπλέκονται σε οξυγονοεξαρτώμενους ιστούς όπως ο εγκέφαλος, η καρδιά, οι μύες και οι νεφροί. Τέτοιες αυτόματες διεργασίες είναι πιθανές αιτίες εκφυλιστικών ασθενειών περιλαμβανομένων της νόσου του Πάρκινσον, της νόσου Αλτσχάιμερ και της στεφανιαίας καρδιακής νόσου.

Σφάλματα αναπαραγωγής mtDNA με χρωμοσωμική μεσολάβηση

Επειδή η μιτοχονδριακή ανάπτυξη και διαίρεση μεσολαβούνται από το πυρηνικό DNA, οι μεταλλάξεις στο πυρηνικό DNA μπορεί να έχουν πλατύ εύρος επιπτώσεων στην αναπαραγωγή του mtDNA. Παρά το γεγονός ότι οι θέσεις για κάποιες από αυτές τις μεταλλάξεις έχουν βρεθεί στα ανθρώπινα χρωμοσώματα, τα συγκεκριμένα γονίδια και οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται δεν έχουν ακόμα απομονωθεί. Τα μιτοχόνδρια χρειάζονται μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη για να διαιρεθούν. Εάν αυτή η πρωτεΐνη (που δημιουργήθηκε στον πυρήνα) δεν είναι παρούσα, τα μιτοχόνδρια αναπτύσσονται, αλλά δεν διαιρούνται. Αυτό οδηγεί σε γιγαντιαία, ανεπαρκή μιτοχόνδρια. Σφάλματα σε χρωμοσωμικά γονίδια ή στα προϊόντα τους μπορεί επίσης να επηρεάσουν τη μιτοχονδριακή αναπαραγωγή περισσότερο άμεσα παρεμποδίζοντας τη μιτοχονδριακή πολυμεράση και μπορεί ακόμα να προκαλέσουν μεταλλάξεις στο mtDNA άμεσα και έμμεσα. Οι έμμεσες μεταλλάξεις προκαλούνται πιο συχνά από ρίζες που δημιουργούνται από ελαττωματικές πρωτεΐνες που παρασκευάζονται από πυρηνικό DNA.

Συνεισφορά του μιτοχονδριακού ως προς το πυρηνικό γονιδίωμα

Συνολικά, το μιτοχόνδριο φιλοξενεί περίπου 3000 διαφορετικούς τύπους πρωτεϊνών, αλλά μόνο περίπου 13 από αυτούς κωδικοποιούνται από το μιτοχονδριακό DNA. Οι περισσότεροι από τους 3000 τύπους πρωτεϊνών εμπλέκονται σε διάφορες διεργασίες πέρα από την παραγωγή ATP, όπως στη σύνθεση πορφυρινών. Μόνο το περίπου 3% από αυτές κωδικοποιούν πρωτεΐνες παραγωγής ATP. Αυτό σημαίνει ότι οι περισσότερες από τις κωδικοποιήσεις των γενετικών πληροφοριών για τη πρωτεϊνική σύσταση των μιτοχονδρίων είναι στο χρωμοσωμικό DNA και εμπλέκονται σε διεργασίες πέρα από τη σύνθεση ATP. Αυτό αυξάνει τις πιθανότητες μια μετάλλαξη που επηρεάζει ένα μιτοχόνδριο να συμβεί στο χρωμοσωμικό DNA, που κληρονομείται κατά το μεντελικό πρότυπο. Ένα άλλο αποτέλεσμα είναι ότι μια χρωμοσωμική μετάλλαξη θα επηρεάσει έναν συγκεκριμένο ιστό λόγω των ειδικών αναγκών της, είτε αυτές μπορεί να είναι απαιτήσεις υψηλής ενέργειας, είτε απαίτηση για τον καταβολισμό ή τον αναβολισμό ενός ειδικού νευροδιαβιβαστή ή νουκλεϊκού οξέος. Επειδή πολλά αντίγραφα του μιτοχονδριακού γονιδιώματος μεταφέρονται από κάθε μιτοχόνδριο (2–10 στους ανθρώπους), Οι μιτοχονδριακές μεταλλάξεις μπορεί να κληρονομηθούν από την μητέρα με μεταλλάξεις από το mtDNA που εμφανίζονται σε μιτοχόνδρια στο ωοκύτταρο πριν τη γονιμοποίηση, ή (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) μέσω μεταλλάξεων στα χρωμοσώματα.

Εμφάνιση

Οι μιτοχονδριακές ασθένειες κυμαίνονται ως προς τη σοβαρότητά τους από ασυμπτωματικές μέχρι μοιραίες και κατά κανόνα οφείλονται σε κληρονομούμενες παρά σε αποκτούμενες μεταλλάξεις του μιτοχονδριακού DNA. Μια δεδομένη μιτοχονδριακή μετάλλαξη μπορεί να προκαλέσει διάφορες ασθένειες ανάλογα με τη σοβαρότητα του προβλήματος στα μιτοχόνδρια και τον ιστό στον οποίο βρίσκονται τα επηρεαζόμενα μιτοχόνδρια. Αντίστροφα, αρκετές διαφορετικές μεταλλάξεις μπορεί να εμφανίζονται ως η ίδια ασθένεια. Αυτός ο σχεδόν ασθενοεξαρτώμενος χαρακτήρας των μιτοχονδριακών ασθενειών τις καθιστά πολύ δύσκολες στην ακριβή αναγνώριση, διάγνωση και αντιμετώπιση. Μερικές ασθένειες παρατηρούνται ακόμα και πριν τη γέννηση (πολλές από αυτές προκαλούν τον θάνατο), ενώ άλλες δεν εμφανίζονται μέχρι την όψιμη ενηλικίωση (διαταραχές όψιμης εμφάνισης (late-onset disorders)). Αυτό συμβαίνει επειδή ο αριθμός των μεταλλαγμάτων ως προς τον άγριο τύπο των μιτοχονδρίων ποικίλει μεταξύ κυττάρων και ιστών και μεταβάλλεται διαρκώς. Επειδή τα κύτταρα έχουν πολλά μιτοχόνδρια, διαφορετικά μιτοχόνδρια στο ίδιο κύτταρο μπορεί να έχουν παραλλαγές του mtDNA. Αυτή η κατάσταση αναφέρεται ως ετεροπλασμία. Όταν ένας συγκεκριμένος ιστός φτάνει σε έναν συγκεκριμένη αναλογία μεταλλάγματος ως προς τα μιτοχόνδρια άγριου τύπου, θα εμφανιστεί η ασθένεια. Η αναλογία ποικίλλει από άτομο σε άτομο και από ιστό σε ιστό (ανάλογα με την ειδική ενέργειά του, το οξυγόνο και τις απαιτήσεις μεταβολισμού, καθώς και τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μετάλλαξης). Οι μιτοχονδριακές ασθένειες είναι πολυάριθμες και διαφορετικές. Πέρα από τις ασθένειες που προκαλούνται από ανωμαλίες στο μιτοχονδριακό DNA, σε πολλές ασθένειες υπάρχει η υποψία ότι σχετίζονται μερικώς με μιτοχονδριακές δυσλειτουργίες, όπως ο διαβήτης, μορφές καρκίνου και καρδιαγγειακές ασθένειες, γαλακτική οξέωση (lactic acidosis), συγκεκριμένες μορφές μυοπάθειας, η οστεοπόρωση, η νόσος Αλτσχάιμερ, η νόσος του Πάρκινσον, το εγκεφαλικό επεισόδιο, η ανδρική στειρότητα και οι οποίες πιστεύεται ότι παίζουν ρόλο στη γήρανση.

Χρήση στην ταυτοποίηση

Το ανθρώπινο mtDNA μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στην ταυτοποίηση ατόμων. Τα ιατροδικαστικά εργαστήρια χρησιμοποιούν σε κάποιες περιπτώσεις τη σύγκριση του mtDNA για ταυτοποίηση ανθρώπινων υπολειμμάτων και ειδικότερα στην ταυτοποίηση παλιότερων αταυτοποίητων σκελετικών υπολειμμάτων. Αν και αντίθετα με το πυρηνικό DNA, το mtDNA δεν είναι εξειδικευμένο σε ένα άτομο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία (ανθρωπολογικά στοιχεία, έμμεσες αποδείξεις (circumstantial evidence) και τα παρόμοια) για την ταυτοποίηση. Το mtDNA χρησιμοποιείται επίσης για να αποκλείσει πιθανές συμφωνίες μεταξύ αγνοούμενων ατόμων και αταυτοποίητων υπολειμμάτων. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι το mtDNA είναι καταλληλότερο για ταυτοποίηση παλιότερων σκελετικών υπολειμμάτων από το πυρηνικό DNA, επειδή ο μεγαλύτερος αριθμός αντιγράφων του mtDNA ανά κύτταρο αυξάνει την πιθανότητα λήψης εκμεταλλεύσιμου δείγματος και επειδή μια συμφωνία με ζωντανό συγγενή είναι εφικτή ακόμα κι αν πολυάριθμες μητρικές γενιές χωρίζουν τα δύο άτομα. Τα υπολείμματα του αμερικανού παρανόμου Τζέσε Τζέιμς ταυτοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας μια σύγκριση μεταξύ του εξαχθέντος mtDNA από τα υπολείμματα του και του γιου της κατά τη γυναικεία γραμμή προπρογιαγιάς της αδελφής του. Παρομοίως, τα υπολείμματα της Αλεξάνδρας Φιόντοροβνα (Αλίξ της Έσσης), τελευταίας αυτοκράτειρας της Ρωσίας και των παιδιών της ταυτοποιήθηκαν με σύγκριση με το μιτοχονδριακό DNA με αυτό του Πρίγκιπα Φιλίππου, Δούκα του Εδιμβούργου, του οποίου η κατά τη μητρική γραμμή γιαγιά του ήταν αδελφή της Αλεξάνδρας. Παρομοίως, η ταυτοποίηση των υπολειμμάτων του αυτοκράτορα Νικολάου Β΄ της Ρωσίας έγινε με συγκρίνοντας το μιτοχονδριακό του DNA με αυτό του James Carnegie, 3ου δούκα του Fife, του οποίου η προπρογιαγιά κατά τη μητρική γραμμή Αλεξάνδρα της Δανίας (βασίλισσα Αλεξάνδρα) ήταν αδελφή της μητέρας του Νικολάου II (αυτοκράτειρα Μαρία Φεοντόροβνα).