Heteroplasmia

Heteroplasmia on olukord, kus ühes rakus või indiviidis esineb korraga kaks või rohkem tüüpi kloroplasti genoomi või mitokondriaalset DNAd (mtDNA) – korraga eksisteerib normaalne wild-type ehk metsiktüüpi ja mutanteerunud genoom. Heteroplasmia üheks alaliigiks on mikroheteroplasmia. Mitokondrite mikroheteroplasmia esineb juhul, kui mutantsete mitokondrite hulgad hõlmavad mitokondriaalsetest genoomidest 2–5%. Inimese mtDNA puhul saab rääkida mikroheteroplasmiast sel juhul, kui ühes organismis paiknevad sajad erinevad mutatsioonid DNAs, millest igaüht võib leida 1–2 protsendis kõikidest mitokondriaalsetest genoomidest. Homoplasmia seevastu on seisund, kus raku genoom on ainult ühte tüüpi – kas ainult mutantne või metsiktüüpi. Arvatakse aga, et sellist juhust inimese mitokondriaalse DNA puhul ilmselt ei esine pidevate mtDNA mutatsioonide tekkimiste pärast. Enamik geneetilisest materjalist on inimestel pakitud kromosoomidesse, ainukesed organellid loomarakkudes enda genoomiga on mitokondrid. 37 geenist koosnev mitokondriaalne genoom on 16 569 aluspaari pikkune tsirkulaarne DNA ja see pärandub unikaalselt ainult emaliini pidi ehk uniparentaalselt. Seda kaheahelalist molekuli eksisteerib rakus sadu ja tuhandeid koopiaid ning selle mutatsiooni tase on kõrgem kui tuumas paikneval DNAl – 10 korda suurem mutatsioonikiirus. Kuigi mtDNA moodustab vähem kui 1% kogu raku DNAst, on see väga vajalik raku normaalseks talitluseks. Heteroplasmia korral võib patogeenne mutatsioon olla täiesti juhuslikus mtDNA molekulis või hoopis kõigis. Heteroplasmia taset suudavad mõjutada organismis kaks protsessi: rakutsüklist sõltumatu pingevaba replikatsioon ning ebavõrdne metsiktüüpi mtDNA eraldumine ehk vegetatiivne segregatsioon. Nii segregatsiooni kui ka pingevaba replikatsiooni korral võib tulemuseks olla kas mutatsioonide eemaldamine või kõrge mutantse mtDNA taseme saavutamine rakus. Reeglina on haigust tekitavad mutatsioonid mitokondriaalses DNAs heteroplasmilised, mis teeb geneetiliste testide tegemise nende avastamiseks keeruliseks. Väikese koguse heteroplasmia leidmine rakus või koes on tehniliselt väga nõudlik. Tihtipeale on keeruline teha vahet mutatsiooni puudumisel ja mutatsiooni avastamise veal mingis koes. Mitokonder on tähtis organell paljude metaboliitiliste protsesside (näiteks tsitraaditsükli) toimimiseks. Ka väiksemadki defektid nendes radades võivad tekitada rikkeid ühes või mitmes inimese kehaosas, nagu silmad, kõrvad, süda jne. Paljud mitokondriaalsed haigused on kas heteroplasmilises või homoplasmilises olekus põhjustatud mtDNA punktmutatsioonidest kindlas koes. Heteroplasmiat on tihti seostatud ka vananemise ja kõrge eaga kaasnevate haigustega, samuti apoptoosi ja vähkkasvajatega. Mõnest heteroplasmiaga seotud haigusest saab lugeda allpool. MELAS on laste ja noorukite seas levinud mitokondriaalne haigus, mis toob endaga kaasa ebamugavaid sümptomeid: oksendamine, migreenilaadsed peavalud, epilepsia, infarktisarnased episoodid jms. Sümptomite suur varieeruvus tuleneb MELASiga seostatud mutatsioonide arvukusest, mis mõjutavad peaaegu kõiki elundkondi kehas. Kõige tüüpilisem ning 80% patsientidel esinev mutatsioon on A3243G tRNA Leu(UUR) mutatsioon, mis põhjustab müopaatiat, suhkurtõve ning vasaku ventrikulaarse südame hüpertroofiat. Selle haiguse, nagu enamiku mitokondriaalsete haiguste korral mängivad väga olulist rolli rakus või koes olevate heteroplasmia ja mutatsiooniliste mitokondrite tase, mis määravad nii haiguse kulgemistee kui ka raskusastme. Mida kõrgem on tegurite tase, seda rohkem MELASiga seotud kliinilisi sümptomeid haigetel esineb. Kuna heteroplasmia tase veres on varieeruv, siis on haigust keeruline diagnoosida ning vereanalüüside põhjal saadakse ebakorrektsed tulemused. Teine heteroplasmilistest punktmutatsioonidest avalduv sündroom MERFF toob patsientidel esile iseloomulikke sümptomeid, nagu müoklooniline epilepsia, kuulmise kadu, füüsilise koormuse talumatus, punased narmendavad lihaskiud jms. Enamik klassikalise MERFFi patsientidest kannab punktmutatsioone, nagu A8344G (esineb üle 80% haigetel), A8356G ja G8363A mtDNA tRNALys geenis, kuid on leitud ka mutatsioone mtDNA tRNAPhe geenis. Kõige tihedamini esinevat A8344G mutatsiooni on seostatud nii Leigh' sündroomi kui ka Parkinsoni tõvega ning mutatsioon põhjustab lihastes kiulist düsplaasiat ning perifeerset ja tsentraalset neuronite müeliinkesta kahjustust. Ka MERFFi korral on heteroplasmia ja mutatsiooni tase korrelatsioonis haiguse raskusastmega. Heteroplasmiaga seotud haigused võivad päranduda emaliini pidi saadud mtDNAga. Mitokondritel on selline unikaalne uniparentaalne pärandumine, kuna spermatosoidide mtDNA hävitatakse viljastatud ootsüüdis. Ema annab aga oma mtDNAs oleva informatsiooni järglastele edasi 100%-liselt. Kuigi naised pärandavad lastele enda mtDNA mutatsioonid, ei ole kindlalt teada, kui kergelt või raskelt haigus igas lapses väljendub. See tuleneb sellest, et ei ole ennustatav, millises vahekorras normaalse ja mutanteerunud mtDNAga mitokondrid edasi kanduvad. Võib juhtuda, et kergete sümptomitega (võib-olla isegi mitte avastatud) haige ema sünnitab lapse, kellel esinevad väga raskekujulised kliinilised sümptomid. Paljud teadlased arvavad, et sel juhul on tegemist pudelikaela efektiga". Esineb ka spontaanseid mutatsioonide tekkeid, kui mutatsiooni ei ole leitud ei ema ega isa genoomis, aga see avaldub embrüo väga varajases arengustaadiumis. Selliste juhtumite esindajateks on näiteks KSS, PEO ja Pearsoni sündroom – kolm haigust, mis on tekkinud mtDNA deletsiooni (spetsiifiline osa DNAst on puudu) tulemusel. Sellised spontaansed mutatsioonid ei pärandu tihti edasi järgmisele generatsioonile. Üks võimalus mitokondriaalsete haigusete pärandumiseks on seotud mtDNA ja nukleaarse DNA defektide kombineerumisega. Selline pärandumine toimub Mendeli seaduste järgi. Näiteks võib tuua MNGIE haigust. Kui patsiendil on heteroplasmiline punktmutatsioon, siis mutatsiooni kandvate mtDNA-de hulk võib varieeruda erinevates kudedes ja isegi samas koes olevates rakkudes. Seetõttu ei esine mitokondriaalsed haigused igas koes ja ka mitte tingimata igal inimesel, kellel esineb patogeenne mutatsioon. Mutatsioon peab saavutama piisavalt suure taseme, et biokeemiline efekt avalduks. Näiteks kahe mitokondriaalse sündroomi, NARP ja Leigh' puhul on näidatud, et juba madalamal mutatsiooniga mtDNA heteroplasmilisel tasemel (10–34%) võib esineda ATP sünteesi häireid, kuid ilma kliiniliste sümptomiteta. Kui aga metsiktüüpi mtDNA tase moodustab kogu geneetilise materjali hulgast vähem kui pool (mutantse mtDNA tase on juba 60–90%), siis toob see endaga kaasa tugeva ATP sünteesi puudujäägi. Sellega kaasneb ka juba NARP sündroomi sümptomite avaldumine. Leigh' sündroomi korral peab olema mutantse mtDNA heteroplasmiline tase üle 90%, et sündroom avalduks. Veel üks hea heteroplasmia efekti näide on Leberi päritav optiline neuropaatia (LHON), mille üks levinumaid mutatsioone on G11778A. See mutatsioon on patoloogiline enamasti homoplasmilises olekus ning praktiliselt asümtomaatiline seni, kuni mutantse mtDNA heteroplasmiline tase on alla 60%. Minimaalse mtDNA heteroplasmia esinemine pole enamasti kahjulik, sest teda leidub spontaanselt pea kõigis normaalsetes indiviidides. Mitokondriaalse heteroplasmia vastu ei ole kindlat ravi, kuid meditsiin pakub sümptomite leevendamist. Näiteks eespool mainitud haiguste poolt tihti põhjustatud lihasekrambid alluvad hästi valproehappe ravile. Smigrodzki, R. M.; Khan, S. M. (2005). "Mitochondrial Microheteroplasmy and a Theory of Aging and Age-Related Disease". Rejuvenation Research 8 (3): 172–198. McFarland, R., Taylor, R.W. and Turnbull, D.M. (2007). "Mitochondrial disease-its impact, etiology, and pathology." Curr. Top. Dev. Biol. 77: 113–155. J.S. Modica-Napolitano, M. Kulawiec, K.K. Singh,Mitochondria and human cancer,Curr. Mol. Med., 7 (2007), pp. 121–131 Andreu AL, DiMauro S "Current classification of mitochondrial disorders." J Neurol 2003, 250:1403–1406 Lehtinen, S.K., Hance, N., El Meziane, A, Juhola, M.K., Karhu, R., Spelbrink, J.N., Holt, I.J. and Jacobs, H.T. (2000). "Genotypic stability, segregation and selection in heteroplasmic human cell lines containing np 3243 mutant mtDNA." Genetics 154: 363–380. White HE, Durston VJ, Seller A, Fratter C, Harvey JF, Cross NC "Accurate detection and quantitation of heteroplasmic mitochondrial point mutations by pyrosequencing." Lightowlers RN, Chinnery PF, Turnbull DM, Howell N "Mammalian mitochondrial genetics: heredity, heteroplasmy and disease." Trends Genet 1997, 13:450–455 Goto, Y., Nonaka, I. and Horai, S. (1990). "A mutation in the tRNA (Leu)(UUR) gene associated with the MELAS subgroup of mitochondrial encephalomyopathies. "Nature. 348: 651–653. Hudson, G., Carelli, V., Spruijt, L., Gerards, M., Mowbray, C., Achilli, A., Pyle, A., Elson, J., Howell, N., La Morgia, C., Valentino, M.L., Huoponen, K., Savontaus, M.L., Nikoskelainen, E.,.Sadun, A.A., Salomao, S.R., Belfort, R., Griffithsm P., Manm P.Y.W., De Coo,R.F.M., Horvath, R., Zeviani, M., Smeets, H.J.T., Torroni, A. and Chinnery, P.F. (2007). "Clinical expression of Leber hereditary optic neuropathy is affected by the mitochondrial DNA haplogroup background." Am. J. Hum. Genet. 81: 228–33. Goto, Y., Nonaka, I. and Horai, S. (1991). "A new mtDNA mutation associated with mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes (MELAS) " Biochim. Biophys Act. 1097 (3): 238–240. "Dynamics of mitochondrial heteroplasmy in three families investigated via a repeatable re-sequencing study." Hiroki Goto†, Benjamin Dickins†, Enis Afgan, Ian M Paul, James Taylor3, Kateryna D Makova and Anton Nekrutenko "Mitochondrial myopathy: an energy crisis in the cells." by Sharon Hesterlee Carelli, V., Baracca, A. and Barogi, S. et al. (2002). "Biochemical clinical correlation in patients with different loads of the mitochondrial DNA T8993G mutation." Arch Neurol 59:264-70. Johns, D.R., Heher, K.L., Miller, N.R. and Smith, K.H. (1993). "Leber’s hereditary optic neuropathy. Clinical manifestations of the 14484 mutation." Arch. Opht. 111: 495–8. "Mitochondria" (Wiley, 2007) Inimese mitokondriaalse genoomi andmebaas Polümorfismid ja mutatsioonid inimese mtDNAs