Mitokondriaalsed nukleoidid

Mitokondriaalsed nukleoidid on DNA-valk kompleksid, mis esinevad mitokondrites.
Mitokondriaalne DNA (mtDNA) sarnaselt tuuma DNA-ga ei esine paljalt, vaid on pakitud valkude abil. Kompleksi nimetus "nukleoid" tuleneb mitokondrite bakteriaalsest päritolust: bakteri kromosoomi nimetatakse samuti nukleoidiks ning endosümbiootilisest hüpoteesist lähtudes on alust arvata, et mtDNA on pigem sellega sarnaselt organiseeritud erinevalt eukarüootide tuuma DNA-st.

Pagaripärmi nukleoidid

Pagaripärm Saccharomyces cerevisiae oli esimene organism, kus kirjeldati mitokondriaalseid nukleoide ning selles organismis on need kõige paremini uuritud. Pärmi mitokondriaalsed nukleoidid on globulaarsed, keskmiselt 0,3 μm läbimõõduga. Põhiline valk, mis esineb nukleoidides on Abf2p, mis seondub mtDNA-ga ning osaleb selle pakkimises. Nukleoidide moodustamises osaleb samuti üheahelalise DNA-ga seonduv valk Rim1p  ning valgud Ilv5 ja Aco1. Ilv5 on ensüüm, mis osaleb hargnenud ahelaga aminohapete sünteesis ning Aco1 on TCA tsükli ensüüm akonitaas. Seoses nende valkude metaboolsete funktsioonidega oleneb vastavate geenide ekspression raku metaboolsest seisundist ehk sellest, millist substraati saab rakk kasutada energia saamiseks. Sellest lähtuvalt on välja pakutud mudel, mille järgi pärmis on mitokondriaalsed nukleoidid ümber korraldatud vastavalt metaboolsele seisundile. Ka mõned teised metaboolse funktsiooniga valgud on leitud pagaripärmi nukleoididest. Aeroobsete rakkude puhul on ühes nukleoidis keskmiselt 1–2 mtDNA koopiat, anaeroobsete rakkude puhul keskmiselt 20 koopiat.

Imetajate nukleoidid

Imetajatest on mitokondriaalsed nukleoidid kõige paremini kirjeldatud inimeses. Samuti on nukleoidid leitud roti, rohepärdiku ja potoroo maksarakkude mitokondritest. Imetajate mtDNA paiknemine diskreetsete üksustena oli esmakordselt näidatud 1991. aastal inimrakkude mtDNA värvimisel DAPI-ga ning see oli hiljem kinnitatud ka immunofluorestsentsi katsetes, kus kasutati anti-DNA antikehi. mtDNA kompleksid valkudega olid imetajates kirjeldatud siis, kui näidati mtDNA seondumist DNA helikaasiga Twinkle inimrakkudes. Seejärel demonstreeriti mitme uuringu käigus ka teiste valkude esinemine mtDNA-ga, peaaegu alati esinesid koos mtDNA-ga mitokondriaalne transkriptsioonifaktor A (TFAM, ingl. mitochondrial transcription factor A), pagaripärmi Apf2p valgu homoloog, ning mitokondriaalne üheahelalise DNA-ga seonduv valk mtSSB (ingl. mitochondrial single strand binding protein), mis on pagaripärmi Rim1p homoloog. TFAM on seejuures valk, mille põhiline funktsioon seisneb mtDNA pakkimises, sarnaselt histoonidele tuumas, mida tõestab asjaolu, et TFAM esineb rakkudes koos mtDNA üksustega. Sama asjaolu kehtib ka mtSSB puhul, kuid see on mtDNA-ga nõrgemini seotud. Imetajate nukleoidid on üsna väikese diameetriga, keskmiselt vaid 0,068 μm, ning sisaldavad 1–2 mtDNA genoomi koopiat. Nukleoidide arv raku kohta varieerub sõltuvalt koetüübist ning rakuliinist.

Nukleoidide populatsioonid ja dünaamika

Kompleksid on valkude abil seotud mitokondrite sisemembraaniga, kusjuures on leitud, et saab eristada vähemalt 2 nukleoidide populatsiooni. Esimene populatsioon on membraaniga tugevamini seotud ning nendes nukleoidides esinevad Twinkle, mtSSB ja mitokondriaalne DNA polümeraas gamma, selle populatsiooni nukleoidid läbivad replikatsiooni. Teine populatsioon on membraaniga nõrgemini seotud, need nukleoidid tõenäoliselt osalevad muudes protsessides ning ei sisalda replikatsiooniks vajalikke valke. On teada, et nukleoidid on seotud membraaniga Twinkle kaudu, kuid ka selle puudumisel jäävad nukleoidid membraaniga seotuks. Seega ilmselt on olemas ka teised valgud, mille kaudu saavad nukleoidid membraaniga seonduda. Nukleoidid on dünaamilised struktuurid, mis tähendab, et need on võimelised liikuma, kui mitokondrid venivad ning saavad liikuda ka ühest mitokondrist teisse, kui mitokondrid jagunevad või sulanduvad kokku.

Raskused valgulise koostise määramisel

Mitmed valgud seonduvad mtDNAga vaid ajutiselt või ainult osade nukleoididega. Kuigi need valgud võivad olla mtDNA metabolismi jaoks vajalikud, pole siiski selge, kas pidada neid nukleoidi valkudeks või mitte. Seetõttu on nukleoidi valgulist koostist raske üheselt määrata ning kasutusele on võetud laiem mõiste mtNAP (ingl mitochondrial nucleoid associated protein). Samas puudub ka mtNAP-ide täielik nimekiri, kuna erinevates katsetes saadud tulemused varieeruvad sõltuvalt katsetingimustest, metoodikast ning rakuliinidest.

Uurimine ja olulisus

Mitokondriaalsete nukleoidide uurimiseks kasutatakse erinevaid rakuliine. Väga levinud on inimese ja hiire rakukultuurid, kuid kasutatakse ka primaatide ja lindude rakke. Kasutusel on nii surematud rakuliinid kui ka doonoritelt saadud rakud. Katsete läbiviimiseks kasutatakse erinevaid biokeemilisi ja molekulaarbioloogilisi meetodeid.
Mitokondriaalsete nukleoidide uurimine on oluline eelkõige seetõttu, et mtDNA ja ka nukleoidide valkude mutatsioonidega on seotud mitmed inimese haigused. Näiteks mutatsioonid helikaas Twinkle kodeerivas geenis põhjustavad progresseeruvat välist oftalmopleegiat, mille põhiline sümptom on silmi liigutavate lihaste halvatus. Mitmed teised haigused on seotud mitokondrite või mtDNA kahjustustega. Seega on väga oluline aru saada, millised valgud osalevad mtDNA pakkimises ja stabiliseerimises, mis on nende täpsemad funktsioonid ning kas neid on võimalik kasutada märklaudadena haiguste ravil.

Teiste organismide nukleoidid

Mitokondriaalsed nukleoidid on leitud ka teistest organismidest. Lisaks pagaripärmile esinevad need ka teistes pärmseentes, näiteks Yarrowia lipolytica, Candida albicans ja Candida parapsilosis. Samuti esinevad mitokondriaalsed nukleoidid protistides Physarum polycephalum ja Crithidia fasciculate. Nukleoidid on leitud ka kannuskonna Xenopus laevis ootsüütide mitokondritest. Nendes esinevad sarnaselt imetajatele transkriptsioonifaktor A (kannuskonna homoloog mtTFA) ning mtSSB, aga ka muud valgud, nagu näiteks prohibitiin 2, ANT1 (ingl. adenine nucleotide translokator 1) ja PDC-E2 (ingl. pyruvate dehydrogenase E2 subunit).