МУТАЦИИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК

Вся информация о строении тела человека содержится внутри клеток в ДНК. Однако воспроизведение этой информации может искажаться, если есть изменения ДНК – мутации. В этом случае развивается патология, которая будет передаваться по наследству и вызывать различные отклонения у потомства. Особое место занимают мутации ДНК, содержащейся в митохондриях. В настоящее время известно около 400 генетических заболеваний, связанных с дефектами ДНК митохондрий.

Что такое ДНК?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) клеток обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования организма.

ДНК расположена в ядре клетки в составе хромосом. У каждого человека 46 парных хромосом: первый комплект (22 хромосомы) нам достается от одного родителя, второй – от другого. 44 из 46 хромосом не зависят от пола, а две – определяют его: XY – у мужчин или ХХ – у женщин. В общей сложности каждый человек имеет 120 миллиардов миль ДНК.

Воспроизведение клеток происходит посредством репликации ДНК (см. рисунок). При этом она раскручивается на две цепочки РНК (а). Они расходятся, образуют репликационную вилку (б). Затем каждая цепь РНК становится матрицей, на которой достраивается аналогичная цепь (в). В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК (д), идентичные родительской молекуле.

Носителями наследственной информации человекаявляются гены. Каждый ген - это участок молекулы ДНК, несущий информацию об определённом белке. Полный набор генов человека (генотип) отвечает за работу организма, его рост и развитие. Совокупность множества генов определяет уникальность каждого человека.

Митохондриальная ДНК

ДНК хранится не только в ядре клеток, но и в их цитоплазме, точнее – в митохондриях. Это специальные структуры клетки (органоиды), отвечающие за образование энергии – энергетические станции организма.

Также митохондрии вовлечены во множество других клеточных процессов: дифференцировка клеток, апоптоз (запрограммированная гибель клеток), контроль клеточного цикла и рост.

Чтобы столь жизненно важные процессы проходили без сбоев, в митохондриях и содержится собственный геном, представленный кольцевой молекулой ДНК, состоящей из 37 генов. В каждой митохондрии содержится несколько копий ее генома, а в каждой клетке – несколько десятков митохондрий.

Наследование ДНК от родителей

Ядерные и митохондриальные ДНК наследуются по-разному. Каждый ребенок получает двойной «комплект» ядерной ДНК: один - от мамы, другой - от папы. Поэтому дети так похожи на своих родителей.

Митохондриальные гены передаются потомкам ТОЛЬКО ОТ МАТЕРИ. Это связано с тем, что всю цитоплазму с содержащимися в ней митохондриями дети получают вместе с яйцеклеткой, в то время как в сперматозоидах цитоплазма практически отсутствует. По этой причине женщина с митохондриальным заболеванием передаёт его всем своим детям, а больной мужчина - нет.

Ряд мутаций митохондриального генома может передаваться по наследству от матери к ребёнку и далее умножиться путём деления митохондрий, содержащих мутантную ДНК.

Митохондриальные заболевания

В норме все митохондрии в клетке имеют одинаковую копию ДНК (гомоплазмия). Однако митохондриальный геном отличается выраженной нестабильностью: в нем нередко возникают мутации.

В одной клетке могут сосуществовать митохондрии нормальные и с нарушенной функцией (гетероплазмия). За счет первых клетка осуществляет свои функции. Если же продукция энергии в ней падает ниже определенного порога, происходит компенсаторная пролиферация (увеличение органоида и повышение его функции) всех митохондрий, включая дефектные. Поэтому в начале болезни мутации могут вообще не иметь внешних проявлений.

Однако наступает момент, когда происходит срыв компенсаторных механизмов, и заболевание проявляется. Естественно, при этом в худшем положении оказываются клетки, которые потребляют много энергии: мышечные волокна, кардиомиоциты, нейроны. Митохондриальные заболевания затрагивают в основном мышечную и нервную системы и, как правило, характеризуются поздним началом клинических проявлений.

Характерными признаками митохондриальных мутаций являются:

низкая толерантность к физической нагрузке, гипотония, проксимальная миопатия, включающая фациальные и фарингеальные мышцы, офтальмопарез, птоз;
нарушения сердечного ритма, гипертрофическая кардиомиопатия;
атрофия зрительного нерва, пигментная ретинопатия, миоклонус, деменция, инсультоподобные эпизоды, расстройства психики;
аксональная нейропатия, нарушения двигательной функции желудочно-кишечного тракта;
диабет, гипопаратиреоидизм, нарушение экзокринной функции панкреас, низкий рост.

Также митохондриальные мутации вызывают нефротический синдром в период беременности и внезапную смерть младенцев.

Болезни, обусловленные генетическими дефектами митохондрий, встречаются у одного из 200 человек. В США ежегодно рождается от 1 до 4 тысяч детей с данной патологией, а более чем у 4 тысяч она развивается по достижении возраста 10 лет.

Реорганизация митохондриального генома обнаружена также при старении организма и злокачественном перерождении тканей.

Все эти проблемы, а также возможности прогнозирования и лечения заболеваний, связанных с аномалиями митохондриального генома, являются предметом изучения "митохондриальной медицины". Сформировавшись как самостоятельное направление в конце XX столетия, сегодня она представляет наиболее интенсивно развивающуюся область исследования генетики клеточных органелл.

Диагностика митохондриальных болезней

Для митохондриальных болезней характерны следующие лабораторные признаки:

наличие ацидоза;
повышенные уровни лактата и пирувата в крови;
гиперкетонемия;
гипераммониемия;
повышение концентрации ацетоацетата и 3-оксибутирата;
повышенное содержание аминокислот в крови и моче (аланина, глутамина, глутаминовой кислоты, валина, лейцина, изолейцина);
повышенные уровни жирных кислот в крови;
гиперэкскреция органических кислот с мочой;
снижение уровня карнитина в крови;
увеличение содержания миоглобина в биологических жидкостях;
снижение активности митохондриальных ферментов в миоцитах и фибробластах.

Однако для выявления митохондриальной дисфункции недостаточно рутинных биохимических методов исследования, необходимо проведение специальных тестов: анализа активности ферментов в биоптатах скелетных мышц, определение активности ферментов дыхательной цепи (цитрат-синтетазы, сукцинатдегидрогеназы и цитохром С-оксидазы).

Важная информация может быть получена при одновременном исследовании материала с помощью световой и электронной микроскопии. Маркерами митохондриальных болезней являются: феномен «рваных» красных волокон, резкое увеличение размеров митохондрий, локальные некрозы мышечных волокон и пр.

Также проводится генетическое обследование на наличие мутаций митохондриальной ДНК.

Инновационные методы лечения митохондриальных мутаций

Лечение заболеваний, вызванных мутациями различных генов в настоящее время представляет определенные трудности. Однако учеными из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе впервые удалось найти универсальный способ корректировки мутаций митохондриальной ДНК человека с помощью молекул РНК.

Джен Вон (Geng Wang), научный сотрудник Центра Регенеративной Медицины и Исследований Стволовых Клеток, разработал метод доставки в митохондрии специфических ядерных молекул РНК необходимых для восстановления мутаций митохондриальных генов.

В экспериментах на моделях митохондриальных заболеваний на двух разных клеточных линиях ученым удалось доставить в митохондрии множество разных молекул РНК, где те успешно исправляли нарушения и восстанавливали нормальный уровень производства энергии.

Метод может стать инновационной технологией для терапии митохондриальных генетических заболеваний. Однако он еще находится в стадии доработки.

Эмбрион от трех родителей

Если будущая мамочка имеет митохондриальные мутации, то они могут передаться потомству вместе с цитоплазмой яйцеклетки.

Предотвратить передачу митохондриальных мутаций можно, заменив цитоплазму яйцеклетки носительницы мутаций цитоплазмой яйцеклетки здорового донора. Сделать это можно либо до экстракорпорального оплодотворения, либо в течение первых суток после него. Таким образом, оплодотворенная яйцеклетка будет содержать генетический материал не двух, а трех людей: ядерную ДНК отца, ядерную ДНК матери и митохондриальную ДНК донора цитоплазмы яйцеклетки.

В настоящее время исследования с эмбрионами, полученными из половых клеток трех родителей, активно ведутся в Великобритании и планируются в США.

Будьте счастливы и здоровы!

ВСЕГДА С ВАМИ! ПАНКОВА ОЛЬГА

Если у Вас есть вопросы, Вы можете задать их мне ЛИЧНО во время дистанционной консультации.