MtDNA rekombinatsioon

Geneetiline rekombineerumine on kahe DNA molekuli geneetilise informatsiooni vahetus, mille tulemusena moodustub alleelide uus kombinatsioon. Mitokondriaalse DNA (mtDNA) rekombinatsioonis vahetavad informatsiooni mitokondri DNA molekulid. Geneetiline rekombinatsioon on mitokondriaalse DNA varieeruvuse allikaks taimedes, seentes ja protistides. Homoloogiline rekombinatsioon on universaalne protsess (levinud nii inimeste kui ka bakteriviiruste seas), mis on oluline kaheahelalise DNA ahela parandustes. Evolutsiooniliselt on homoloogilise rekombineerumise sageduse madalal tasemel hoidmine vajalik mtDNA kaitseks invasiivsete isekate elementide eest. Rekombinatsiooni mtDNA-s on dokumenteeritud juba rohkem kui 40 aastat tagasi, kuid selle aluseks olev molekulaarne mehhanism on seni jäänud mõistatuseks. Rangelt reeglitele vastav rekombineerumise rada eukarüootses nukleiidis ja bakterites kaasab endaga hulgaliselt proteiine. Kõige olulisemad on eksonukleaasid, mis töötlevad kaheahelalise DNA otsi (dsDNA); proteiinid, mis seovad üheahelalist DNA-d (SSBs single-strand binding protein üheahelaline proteiin, mille ülesandeks on lahtisi DNA otsi siduda); Rad52-tüüpi rekombineerumise vahendajad ning Rad51/RecA-tüüpi ensüümid (spetsiifilise ülesandega valgud), mis soodustavad geneetilist rekombineerumist. Nende hulgast on senimaani mitokondris ainult SSB selgelt tuvastatud. Mitokondriaalne SSB on prokarüootset päritolu ning esineb nii pärmis kui inimeses homotetrameerses vormis, milles proteiin koosneb neljast indentsest osast, mis on omavahel seotud. Tõendid viitavad, et vananemine tõstab mtDNA rekombineerumise sagedust, koos mtDNA deletsioonide ja ümberpaigutustega. Mitokondriaalse DNA mutatsioonide kuhjumine arvatakse soodustavat vananemist. Mitokondriaalsel DNA-l on palju suurem mutatsioonide esinemise sagedus kui DNA-l, mis asub rakutuumas. Hapniku sisaldavad keemiliselt reaktsioonialtid molekulide pidevad rünnakud mitokondri sisemembraani läheduses ja mtDNA replikatsiooni mehhanismi ehk repliosoomi omadust põhjustada vigu peetakse suuresti vastutavaks mtDNA suure mutatsioonide esinemise sageduse eest. Noortes rakkudes hoitakse mtDNA rekombineerumist väga madalal tasemel, et hoida ära harva tekkivat DSB-s (Double Strand Break). Vananenud rakkudes mtDNA rekombineerumise sagedus tõuseb oksüdatiivse stressi ja suurenenud mtDNA kahjustuste tõttu. Paratamatult võib see tõsta ekslikku rekombineerumist, mis viib parandamatu kustutatud ja ümber korraldatud mtDNA kogunemiseni. On esitatud ka muid põhjuseid, mis mõjutavad mtDNA rekombineerumise sagedust erinevates raku tüüpides ja organismides, näiteks nukleiidide formeering, mitokondri dünaamika, mtDNA sisu ja mitokondriaalne tihedus. Mitokondriaalse DNA ülekanne mudelorganismis pagaripärmis (Saccharomyces cerevisiae) on üldiselt mõlemalt vanemalt pärinud mtDNA kandja. Kui kahest haploidsest gameedist, mis kannavad mtDNA-d, moodustub diploidne sügoot, siis vanemate mtDNA seguneb ja kantakse üle juhuslikult järglastele. See eripära on osutunud võimsaks tööriistaks, mille abil dokumenteerida varajasi tõendeid mtDNA rekombineerumisest. Ristates haploidseid tüvesid, mis kannavad kustutatud tüüpe erinevate vormidega aktiivsete tiheduse või piirangutega mitokondriaalsest genoomist, leiti järglaste mtDNA-lt omadusi mõlemalt vanemalt. Viimane viitab rekombineerumise esinemisele. Otsene geneetiline tõend mtDNA rekombinatsiooni kohta muutus demonstreeritavaks, kui antibootikumidele resistentsed geneetilised markerid mtDNA-l olid kättesaadavad. Sügootide kolooniate, mis olid saadud ristates klooramfenikooli ja erütromütsiini resistentseid markereid sisaldavat mtDNA-d, analüüsimine näitas stabiilset ülekannet nii vanema kui ka rekombinantses genotüübis. Üldiselt on rekombinantide sagedus kahe sidumata markeri vahel pärmi mtDNA-s suisa 20–25%. See viitab ulatuslikule sidumisele ja rekombineerumisele vanemate mitokondriaalses DNA-s sügoodi moodustumise ajal. Pärmi mtDNA rekombineerumist toetas tugevalt ka tähelepanek, et geeniväliselt lisatud DNA-d sai integreerida mitokondriaalsesse genoomi pärast selle pommitamist mikrokehadega (microprojectile bombardment). Seda protseduuri kasutatakse tavaliselt mitokondriaalseks muundamiseks. Kogunevad tõendid viitavad sellele, et mtDNA rekombineerumine ei esine ainult traditsioonilistes uurimisobjektides nagu pärm ja madalates loomades, kellel on kahelt vanemalt päritud omadused, aga ka seentes ja loomades, kellel on ühelt vanemalt päritud omadused, ja isegi spetsiifilistes inimkudedes nagu süda ja aju. Kuigi vaidlused kestavad, viitab suurenev tõendite hulk sellele, et mtDNA rekombineerumine on tunduvalt enam levinud, kui varem arvatud. Inimese mitokondriaalne DNA on 16,5 kb suurune, ringjas genoom, mis on vajalik mitokondri funktsioonide hoolduseks ning esineb mitme koopiana enamikus rakutüüpides. mtDNA on kasulik inimese päritolu piiritlemiseks, sest mtDNA-l on suur järjestuse lahknemine ning pärandumine ema liini pidi. Inimese kustutatud mitokondriaalse DNA analüüs on näidanud sagedast otseste korduste esinemist, mis piiravad deletsioonipunktide ääri. See vihjab rekombinantsete sündmuste osalust. Organismi vananemisega kaasnevad mitokondriaalse DNA deletsiooni-, rekombinatsiooni- ja mutatsiooniprotsessid võivad põhjustada mitokondriaalseid haigusi. Hiljutised uuringud biokeemias viitavad sellele, et rekombinatsioon on asendamatu osa mtDNA replikatsiooni- ja parandusmehhanismidest ning et enamikul loomgenoomidel on olemas vajalikud ensüümid mtDNA rekombineerumiseks. Kui range emapoolse mtDNA edastamine on ohustatud, saab luua rekombinanatsed haplotüüpe ja neid parandada. Mitokondriaalse DNA rekombineerumise täpne levik on loomadel kindlalt teadmata, kuid selle olemasolul võivad olla tähtsad tagajärjed lähedalt sugulusel olevate taksonite fülogeneetilistes uuringutes ja inimese mdDNA-ga seotud haigustes. Kuigi rekombineeruvate genoomide pärandumise tõenäosus on teadmata, on nii emas kui ka isas inimese mtDNA geneetiline ülekanne ja rekombinatsiooni "kuumade punktide" tuvastamine tähtsad. Need teadmised aitavad inimese evolutsiooni, mtDNA replikatsiooni ja paranduste, düsfunktsionaalsete genoomide genereerimise ja paljundamise mitokondriaalsete haiguste uuringutes. David H. Lunt, bradley C. Hyman Animal mitochondrial DNA recombination, Nature, 1997 [1] Xin Jie Chen Mechanism of Homologous Recombination and Implications for Aging-Related Deletions in Mitochondrial DNA, Journals.ASM.org, 2013 Yevgenya Kraytsberg, Marianne Schwartz, Timothy A. Brown, Konstantin Ebralidse, Wolfram S. Kunz, David A. Clayton, John Vissing, Konstantin Khrapko. Recombination of Human Mitochondrial DNA, Brevia, 2004 [2] Alexeyev, Mihhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. (2004). "Mitochondrial DNA and aging". Clinical Science 107 (4): 355–364 [3] Antonis Rokasemail, Emmanuel Ladoukakis, Eleftherios Zouros. Animal mitochondrial DNA recombination revisited, Trends in Ecology & Evolution, 2003 "Inimese mtDNA-s esinevad patoloogilised mutatsioonid, nendega kaasnevad enamlevinud mitokondriaalsed haigused ja võimalik seos haplogrupilise taustsüsteemiga LHON-i näite baasil" "Stellal tuleb elada puuduva energia kiuste"