Genom mitochondrialny i jego zastosowanie w nauce

Mitochondria to organelle komórkowe odpowiedzialne za procesy oddychania tlenowego. Posiadają one własny materiał genetyczny mtDNA. Zawarta w nim informacja dziedziczona jest wyłącznie w linii żeńskiej, ponieważ komórka jajowa posiada o wiele więcej mtDNA niż plemnik. Badania genetyczne w latach 80-tych pozwoliły na ustalenie jak wygląda sekwencja mtDNA.

Genom mitochondrialny to niewielka cząsteczka mitochondrialnego DNA, która koduje 37 genów niezwykle ważnych dla komórek. Są one odpowiedzialne za prawidłowe funkcjonowanie łańcucha oddechowego, w którym powstaje ATP. ATP jest paliwem energetycznym dla każdej komórki. Jeżeli funkcjonowanie tego łańcucha zostanie u człowieka zaburzone, to powstają bardzo ciężkie zespoły chorobowe zwane chorobami mitochondrialnymi. Przyczyną tych chorób są mutacje w mtDNA.

Choroby mitochondrialne dziedziczą się wyłącznie w linii żeńskiej. Chorzy mężczyźni nie przekazują dzieciom choroby. Objawy są związane z powstającymi zmianami zaburzenia funkcji fizjologicznych mitochondriów i dotyczą tkanki mięśniowej i nerwowej. Obie te tkanki mają wysokie zapotrzebowanie energetyczne. Efekty mutacji pojawiają się przede wszystkim u osób dorosłych. Jest to spowodowane nagromadzeniem defektywnych cząsteczek DNA w pewnych tkankach, w miarę ich rozwoju.

Choroby mitochondrialne

Do najczęściej występujących chorób mitochondrialnych należą:
Zespół MELAS. Jest to miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa i występowanie incydentów podobnych do udarów. Objawy związane z tym zespołem pojawiają się pomiędzy 2 a 10 rokiem życia. Występują toniczno-kloniczne napady padaczki, stany zagubienia, nawracające bóle głowy, wymioty, karłowatość, utrata słuchu i psychozy.

LHON – dziedziczny zespół Lebera. Jest to choroba, która może się ujawnić między 18 a 30 rokiem życia i polega na zaniku nerwów wzrokowych.

MERRF, padaczka miokloniczna z czerwonymi poszarpanymi włóknami mięśniowymi. Poza napadami padaczki występuje karłowatość, miopatia, ataksja móżdżkowa, karłowatość, polineuropatia i utrata słuchu. Pierwsze objawy pojawiają się w wieku dziecięcym.

Diagnostyka chorób mitochondrialnych polega na sprawdzeniu, czy występują mutacje genowe i określa się ich poziom w różnych tkankach chorego. Stosuje się leczenie objawowe. Duże nadzieje stwarza mitochondrialna terapia genowa.

Zastosowanie wiedzy o genomie mitochondrialnym

DNA mitochondrialny jest wykorzystywany w medycynie sądowej i w genetyce populacyjnej. Służą do tego obszary hiperprzemienne mtDNA – niekodujące fragmenty genomu mitochondrialnego o wysokim zróżnicowaniu u poszczególnych ludzi.

W laboratoriach medycyny sądowej wykorzystywane są metody badań oparte na analizie mtDNA. Stanowią one uzupełnienie analizy mniej trwałego, genomowego DNA. Informacje zakodowane w mtDNA są dużo bardziej specyficzne i przekazywane z pokolenia na pokolenie. Mitochondrialny DNA jest też bardziej odporny na wiele czynników środowiskowych niż gDNA i występuje w komórce w setkach tysięcy kopii. Umożliwia to przeprowadzenie analizy porównawczej próbek nawet bardzo rozłożonych fragmentów zwłok.