Tom 58 2009
Numer 3 4 (284 285)
Strony 555 558
Ewa Bartnik
Instytut Genetyki i Biotechnologii
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
oraz Instytut Biochemii i Biofizyki PAN
Pawińskiego 5a, 02-106 Warszawa
E-mail: [e-mail]
LUDZKI GENOM MITOCHONDRIALNY*
W każdej komórce ludzkiej (z wyjątkiem plazmia, jeśli są obecne np. DNA zmutowane
erytrocytów) znajdują się mitochondria. W i niezmutowane jest to heteroplazmia (wal-
latach 60. ubiegłego wieku wykryto, że za- lacE 2005).
wierają one swój własny DNA, który zse- Wiadomo też, że w czasie powstawania
kwencjonowano na początku lat 80. ubie- gamet żeńskich, w którymś momencie w
głego wieku w laboratorium Francisa San- czasie rozwoju komórki jajowej, obecnych
gera (który za techniki sekwencjonowania jest w niej niewiele mitochondriów  może
DNA otrzymał swoją drugą nagrodę Nobla). około 20, choć to są dane dla myszy, nie dla
Ustalono wiele faktów o mitochondriach, ludzi  a następnie dzielą się one dochodząc
od ewidentnych, takich jak ich rola w pro- do około 100 000. Stadium  wąskiego gardła
cesie oddychania, poprzez dość nieoczeki- z niewielką liczbą mitochondriów jest po-
wane, takie jak stwierdzenie, że mutacje w strzegane jako etap selekcji mitochondriów
tym genomie są odpowiedzialne za wiele aktywnych oddechowo, choć jest to pewne
chorób ludzkich, zazwyczaj dających najsil- uproszczenie, ponieważ u kobiet cierpiących
niejsze objawy w komórkach mięśniowych na choroby mitochondrialne produkowane
lub nerwowych. są między innymi komórki jajowe zawierają-
Mitochondria dziedziczone są tylko od ce nieomal całkowicie zmutowany DNA. Przy
matki. Między genomami mitochondrialnymi okazji warto dodać, że u większości osób ma-
(które w przeciętnej komórce somatycznej jących choroby mitochondrialne DNA w mi-
występują w około 5 kopiach na mitochon- tochondriach jest mieszaniną normalnego i
drium, przy kilkuset mitochondriach na ko- zmutowanego.
mórkę) rekombinacja, o ile zachodzi, jest na W latach 80. ubiegłego wieku Alan Wil-
poziomie na tyle niskim, że możemy trakto- son i jego współpracownicy (cann i współ-
wać wszystkich potomków jednej matki jako aut. 1987) przebadali DNA kilkudziesięciu
jednorodną grupę. Oczywiście to nie jest do osób z różnych stron świata. Wówczas nie
końca prawdziwe, bo DNA ulega mutacjom, sekwencjonowano jeszcze zazwyczaj całych
i to z większą szybkością niż genom jądro- genomów mitochondrialnych, praca ta opie-
wy. Wynika to z kilku przyczyn. Po pierwsze, ra się na analizie polimorfizmów miejsc re-
DNA mitochondrialny jest położony blisko strykcyjnych w genomie mitochondrialnym.
głównego z
ródła wolnych rodników  łań- Największą różnorodność mitochondrialne-
cucha oddechowego, poza tym jest pozba- go DNA znaleziono w Afryce; drzewa spo-
wiony histonów i nie ma pełnej gamy syste- rządzone na podstawie tych wyników (i po-
mów naprawczych dostępnej w jądrze. Gdy twierdzone wielokrotnie przez póz
niejsze
wszystkie cząsteczki DNA w danej komórce badania) wskazały na wspólnego przodka (a
są takie same, określane to jest jako homo- raczej może na wspólną pramatkę) żyjącą w
*Praca została wykonana w ramach funkcjonowania Polskiej Sieci Mitochondrialnej MitoNet.pl
Ewa Bartnik
556
Afryce około 180000 lat temu (cann i współ- poziomie, ponieważ obecnie w bazach da-
aut. 1987; wallacE 1995, 2005). Oczywiście nych (mtDB) dostępnych jest ponad 2 000
nie była to jedyna wówczas żyjąca kobieta sekwencji ludzkiego mitochondrialnego DNA
(stąd nazwa  Ewa może nie jest do końca z całego świata (inGman i GyllEnstEn 2006)
uzasadniona), ale tylko jej mitochondria były i baza ta jest ciągle aktualizowana.
przekazywane z córki na córkę przez wiele W badaniu szybkości zmian mitochon-
pokoleń aż do czasów współczesnych; inne drialnego DNA bardzo często porównuje się
mitochondrialne DNA pochodzące od kobiet szybkość podstawień synonimicznych w po-
żyjących w czasach  Ewy nie dotrwały do równaniu z podstawieniami niesynonimicz-
dzisiaj. nymi. Zakłada się, że w każdym punkcie ge-
Genom mitochondrialny wydaje się być nomu mutacje mogą zachodzić z równym
idealny do badań ewolucji. Jest mały (16658 prawdopodobieństwem. To czy pozostaną
par zasad u człowieka), nie ulega rekombina- czy zostaną wyeliminowane zależy od tego,
cji lub ulega jej na bardzo niskim poziomie, jaki będą miały wpływ na fenotyp. Ponie-
dostępne są sekwencje nie tylko ludzkich waż dla genów kodujących białka na fenotyp
mitochondrialnych DNA, ale także sekwen- wpływa białkowy produkt, uważa się, że jeśli
cje szympansa, goryla i innych ssaków, które mutacja powoduje zamianę kodonu dla dane-
pozawalają na ustalenie momentów rozejścia go aminokwasu na inny kodon dla dokładnie
się dróg poszczególnych gatunków. Ponie- tego samego aminokwasu (czyli mutacja sy-
waż występuje w wielu kopiach we wszyst- nonimiczna) nie będzie miała wpływu na fe-
kich komórkach, daje się go pozyskać z ma- notyp. Jeśli mutacja spowoduje, że kodowany
teriałów muzealnych i kopalnych łatwiej, niż będzie inny niż oryginalny aminokwas, wów-
DNA jądrowy. czas powstające białko będzie inne (mutacja
Obecnie różne warianty mitochondrial- niesynonimiczna). Mutacja taka może być
nego DNA są poklasyfikowane na grupy o szkodliwa i wówczas osobnik z taką mutacją
wspólnym pochodzeniu i zbliżonych sekwen- będzie eliminowany, lub może być korzystna,
cjach, tzw. haplogrupy. W Afryce występują wówczas mutacja ma szansę się utrwalić.
cztery główne haplogrupy  L0, L1, L2 i L3. Warto tu może dodać, że w ostatnich la-
Poza Afryką rozprzestrzeniły się tylko dwie tach w stosunku do genów kodowanych ją-
haplogrupy M i N, pochodzące z L3. W Eu- drowo znaleziono kilka wyjątków od braku
ropie z N powstały haplogrupy H, T, U, V, efektów mutacji synonimicznych. Mutacje
W, X, I, J i K, w Azji z M i N powstały od- takie mogą powodować zmianę wykorzysty-
powiednio haplogrupy C, D i G oraz A, B i wanego tRNA, co z kolej może wpływać na
F. Analiza rozmieszczenia poszczególnych ha- tempo syntezy białka (nie wszystkie tRNA dla
plogrup na świecie pozwoliła na prześledze- danej grupy kodonów aminokwasu występu-
nie migracji ludzi oryginalnie wychodzących ją w komórce na tym samym poziomie), a
z Afryki i zasiedlających całą naszą planetę tempo syntezy może wpływać na konforma-
(wallacE 1995, 2005). cję białka. Także niewinne z pozoru mutacje
W genomie mitochondrialnym człowieka, synonimiczne mogą wpływać zarówno na
który wielkością jest zbliżony do niewielkie- splicing (co może zmieniać sekwencję biał-
go genu jądrowego, zapisana jest informacja ka), jak i na konformację mRNA. Konforma-
o syntezie 22 tRNA, 2 rRNA i 13 polipepty- cja mRNA może z kolei wpływać na proces
dów wchodzących w skład łańcucha odde- translacji (ParmlEy i Hurst 2007). Na szczę-
chowego (patrz artykuł Golika w tym zeszy- ście w mitochondriach tego typu efekty ra-
cie KOSMOSU). Polipeptydy te znajdują się czej nie występują  22 tRNA odpowiada za
w czterech z pięciu kompleksów łańcucha odczytywanie 20 kodonów aminokwasów,
oddechowego, jedynie kompleks II jest zło- więc dla olbrzymiej większości aminokwa-
żony z białek kodowanych wyłącznie przez sów (z wyjątkiem seryny i leucyny) istnieje
genom jądrowy, w którym zakodowanych tylko jedna cząsteczka tRNA. Nie ma też in-
jest też około 1 000 innych białek obecnych tronów, i w zasadzie praktycznie mRNA nie
w mitochondriach. Koewolucja genomu mi- mają części nie ulegających translacji. W mi-
tochondrialnego i jądrowego jest zagadnie- tochondriach ludzkich istnieje jeden obszar
niem fascynującym, ale jeszcze słabo pozna- niekodujący, o długości około 1100 par za-
nym (patrz artykuł Golika w tym zeszycie sad, tzw. pętla D, w której znajdują się miej-
KOSMOSU). Sama natomiast ewolucja geno- sca inicjacji transkrypcji obu nici i począ-
mu mitochondrialnego stanowi obiekt badań tek replikacji jednej z nich. Reszta genomu
wielu grup, na coraz bardziej interesującym mitochondrialnego jest ściśle upakowana,
Ludzki genom mitochondrialny
557
prawie wszystkie geny są na jednej nici, na drialnych ze starzeniem, nowotworami i po-
drugiej jest tylko zakodowane jedno białko i szczególnymi chorobami (choroba Alzheime-
8 tRNA. Teoretycznie więc w genach kodu- ra, Parkinsona, schizofrenia) czy zjawiskami
jących białka (a jest ich 13) można porów- (ruchliwość plemników) zajmują sporą część
nywać podstawienia synonimiczne w sto- współczesnej literatury dotyczącej mitochon-
sunku do niesynonimicznych a w obszarze driów i są w wielu przypadkach trudne do
niekodującym pętli D badać częstość zmian interpretacji. Często wynika to ze zbyt małej
w poszczególnych miejscach. Jeśli zmian liczebności badanych prób (tońska i współ-
niesynonimicznych jest mało, zachodzi naj- aut. 2009). Fakt, że wyniki często nie są po-
prawdopodobniej selekcja oczyszczająca. Je- wtarzalne dla innych populacji niż pierwot-
śli jest ich dużo może to świadczyć o pozy- nie badana przypomina sytuację z szukaniem
tywnej selekcji w danym genie. genów odpowiedzialnych za ludzkie choroby
Wallace i jego współpracownicy (misHmar wieloczynnikowe. Należy pamiętać, że mito-
i współaut. 2003) określili stosunki zmian nie- chondria nie są niezależnymi organellami i
synonimicznych do synonimicznych dla ge- że często zupełnie nie rozumiemy interakcji
nów 13 białek kodowanych w mitochondrial- jądro-mitochondrium-środowisko. Dla jednej
nym DNA na dużej próbie sekwencji 1 125 z najczęstszych chorób mitochondrialnych,
genomów mitochondrialnych. Okazało się, że choroby Lebera, mimo wieloletnich badań
częstość zmian w jednej z kodowanych mito- nie rozumiemy, dlaczego trzy znane mutacje
chondrialnie podjednostek ATPazy (gen ATP6) mitochondrialne w podjednostkach komplek-
nie jest stała w różnych strefach geograficz- su I, odpowiedzialne za ponad 90% przypad-
nych. W obszarach zimnych gen był bardzo ków tej choroby, są warunkiem koniecznym,
zmienny, za to był silnie konserwowany w ale nie wystarczającym wystąpienia tej cho-
obszarach tropikalnych, natomiast odwrotne roby, dlaczego najłagodniejsza z tych trzech
efekty stwierdzono dla genu cyt. B. Stwierdzo- mutacji występuje prawie zawsze w haplo-
no i inne zależne od strefy klimatycznej zmia- grupie J, i dlaczego kobiety o wiele rzadziej
ny, co doprowadziło do postawienia hipotezy, od mężczyzn tracą wzrok przy posiadaniu
że mutacje tego typu stanowią przystosowanie takiego samego poziomu mutacji (wallacE
do różnych klimatów. Ta hipoteza, omówiona 2005).
obszernie przez wallacE a (2005) nie jest po- W nowotworach bardzo często wystę-
twierdzana we wszystkich badaniach sekwen- pują mutacje w mitochondrialnym DNA. Są
cji mitochondrialnego DNA i obecnie toczą one bardzo różnorodne i na ogół prace po-
się dyskusje nad tym, czy metodologia badań, legają na porównywaniu zdrowej i rakowej
klasyfikacja haplogrup itp. są prawidłowe. Jed- tkanki u danej grupy pacjentów. Pewne mu-
nak uzyskiwane wyniki są bardzo ciekawe. Na tacje stwierdza się częściej, pewne rzadziej
przykład moilanEn i współaut. (2003) wykaza- dla danej grupy nowotworów, ale choć mia-
li, że różnice w częstości podstawień niesyno- no nadzieję, że będą one stanowić markery
nimicznych w stosunku do synonimicznych są rozwoju tej choroby, lub że uda się ustalić
różne zarówno dla różnych genów, jak i ha- zwiększone czy zmniejszone ryzyko dla pew-
plogrup. Stwierdzili na przykład, że w jednej nych haplogrup, w dziedzinie tej  podobnie
z haplogrup europejskich, J, jeden z genów jak dla wielu badań dotyczących mitochon-
podjednostek kompleksu I, ND5, był praktycz- driów  jest bardzo wiele prac i stosunkowo
nie pozbawiony jakichkolwiek mutacji niesy- mało ciekawych pomysłów. Najciekawszy po-
nonimicznych, choć nie stwierdzono tego dla chodzi znowu od Wallace a  po kompilacji
innych haplogrup. Wiele badań stwierdza tak- wszystkich opublikowanych do 2006 r. muta-
że, że pętla D jest bardzo interesującym ob- cji mitochondrialnego DNA w nowotworach
szarem  niektóre nukleotydy wydają się nie doszedł do wniosku, że te mutacje są w ol-
mutować, w innych miejscach mutacje zacho- brzymiej większości tymi samymi, które wy-
dzą często (HowEll i wspólaut. 2007). stępowały w czasie normalnej ewolucji geno-
Oprócz badań nad ewolucją, które są bar- mu mitochondrialnego (Brandon i współaut.
dzo liczne i nie wszystkie dają wyniki zgodne 2006).
z hipotezą Wallace a o wpływie klimatu na Mitochondria są fascynującym obiektem
ewolucję genomu mitochondrialnego (Ho- badań, a ich ewolucja, rola, zmienność mito-
wEll i współaut. 2007, sun i współaut. 2007), chondrialnego DNA i wpływ zmian w mito-
zainteresowanie budzi ustalenie, na co tak chondrialnym DNA na nasze zdrowie będzie
naprawdę wpływa posiadanie danej haplo- na pewno jeszcze przez wiele lat dostarczać
grupy. Badania asocjacji haplogrup mitochon- wielu ciekawych informacji.
Ewa Bartnik
558
THE HUMAN MITOCHONDRIAL GENOME
S u m m a r y
The human mitochondrial genome is a small one woman who lived in Africa about 180000 years
16.5 kb circular double-stranded DNA molecule con- ago. Various parts of the mtDNA may not evolve at
taining 37 genes. Mutations in this DNA can lead to the same rate, and the different mitochondrial DNA
various diseases, and the mitochondrial DNA (mtD- haplogroups may not be totally functionally equiva-
NA) genome which is maternally inherited has been lent, raising questions as to the involvement of mito-
very often used in studies on human evolution. Mi- chondria in various human diseases and the process
tochondria of all humans appear to originate from of aging.
litEratura
Brandon m., Baldi P., wallacE d. C., 2006. Mito- polymorphisms in a segment of MTND5 gene in
chondrial mutations in cancer. Oncogene 25, haplogroup J. Mol. Biol. Evol. 20, 2132 2142.
4647 4662. ParmlEy J. L., Hurst L. D., 2007. How do synony-
cann R. L., stonEkinG M., wilson A. C., 1987. Mito- mous mutaitons affect fitness? BioEssays 29,
chondrial DNA and human evolution. Nature 515 519.
325: 31 36. sun C., konG Q.p., zHanG Y. P., 2007. The role of cli-
HowEll, N., Elson J. E., HowEll C., turnBull D. M. mate in human mitochondrial DNA evolution:
2007. Relative rates of evolution in the coding a reappraisal. Genomics 89, 338 342.
and control regions of African mtDNAs. Mol. tońska K., sołyGa A., Bartnik E. 2009. Mitochon-
Biol. Evol. 24, 2213 2221. dria and aging: innocent bystanders or guilty
inGman, M., GyllEnstEn U., 2006. mtDB: Human Mi- parties? J. Appl. Genet. 50, 55 62.
tochondrial Genome Database, a resource for wallacE D. C., 1995. Mitochondrial DNA in human
population genetics and medical sciences. Nucle- evolution, degenerative disease, and aging. Am.
ic Acids Res. 34 (Database issue): D749 51. J. Hum. Genet. 57, 201 203.
misHmar D., ruiz-PEsini E. F., Golik P., macaulay V., wallacE D. C., 2005. A mitochondrial paradigm
clark A. G. i współaut., 2003. Natural selection of metabolic and degenerative diseases, aging
shaped regional mtDNA variation in humans. and cancer: a dawn for evolutionary medicine.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 171 176. Annu. Rev Genet 39, 359 407.
moilanEn J. S., Finnila S., majamaa K. 2003. Lineage-
specific delection in human mtDNA: lack of