Co to są mitochondria i w jaki sposób wpływają na wzrok?

avatar
Bartosz Nowak 30 Gru, 6 minut czytania

 

Genetyka potrafi bardzo zaskakiwać. W szkołach uczymy się podstawowych pojęć z jej zakresu. Wiemy zatem, że istnieje DNA, oraz, że to „mutacja” w genie wywołuje zazwyczaj chorobę genetyczną. Tego typu zmiany zachodzą w jądrach komórkowych, czyli centrach dowodzenia każdej komórki. Jednak – jak to zazwyczaj w genetyce bywa – będą też wyjątki. Mitochondria są tą wyjątkową częścią komórek, którym przyjrzymy się bliżej w tym artykule.

Czym są mitochondria i jaka jest ich rola?

Mitochondria są jednymi z najważniejszych organelli komórkowych (patrz przypis 1) znajdujących się w komórce człowieka. Odpowiadają one za bardzo skomplikowany proces oddychania komórkowego, podczas którego dochodzi do produkcji dużej liczby cząsteczek ATP (patrz przypis 2). ATP są podstawową jednostką przenoszenia energii w naszych organizmach. Dzięki nim możliwa jest m.in. praca naszych mięśni czy mózgu. Jednak na tym nie kończy się ich ważna życiowo rola. Uczestniczą one także w procesach takich jak beta – oksydacja kwasów tłuszczowych (patrz przypis 3) czy w regulowaniu procesu apoptozy, który polega na kontrolowanej śmierci komórek. W wątrobie znajdują się także mitochondria, które przeprowadzają cykl mocznikowy. Jest to ważny proces metaboliczny podczas którego bardzo toksyczny amoniak (będący produktem metabolizmu białek) jest zamieniany w mniej toksyczny mocznik, który zostanie następnie wydalony z moczem [1].

Tak samo jak niezwykłe są funkcje mitochondriów, tak samo niezwykła jest budowa tego organellum. Posiadają one swój własny materiał genetyczny oraz własne rybosomy (patrz przypis 4) odmienne od tych, które znajdują się w komórkach. Ciekawy jest także fakt, iż mitochondria posiadają podwójną błonę komórkową (patrz przypis 5). Struktury te są podobne do tych, które znajdziemy u organizmów prokariotycznych, czyli takich, które nie posiadają w swojej budowie jądra komórkowego (są to znane wszystkim bakterie) [2]. Skąd więc wynika taka dziwna budowa tego organellum ?

Obecnie najbardziej popularna teoria, znana pod nazwą teorii endosymbiozy, głosi, że mitochondria są potomkami bakterii. Prawdopodobnie w toku ewolucji pewne komórki bakteryjne zostały „wchłonięte” przez bardziej wyspecjalizowane komórki eukariotyczne w procesie nazywanym endocytozą i tak już zostały, dzieląc się wraz z komórką-gospodarzem [3].

DNA mitochondrialne

Warto poświęcić kilka zdań tematowi DNA mitochondrialnego. Składa się ono z kolistych cząstek DNA, co jest charakterystyczne dla bakterii. Cząsteczki te nie znajdują się jądrze komórkowym (czyli centrum dowodzenie każdej komórki), tylko w macierzy mitochondrialnej (patrz przypis 6). Dla przypomnienia – w jądrach komórkowych naszych komórek znajdują się linearne (liniowe) cząsteczki DNA.

Takie mitochondrialne DNA posiada 37 genów, z czego 13 z nich koduje białka, które uczestniczą we wspomnianym wcześniej oddychaniu komórkowym. Inne kodują sekwencję tRNA (patrz przypis 7) oraz rRNA (patrz przypis 8) [4].

Bardzo interesujący jest sposób dziedziczenia mitochondrialnego DNA. Chcąc prześledzić ten proces musimy przenieść się do momentu zapłodnienia (a nawet wcześniej), w którym uczestniczą komórka jajowa oraz plemnik. Obie te struktury zawierają wiele tysięcy mitochondriów. Plemnik – z uwagi na konieczność odbycia długiej drogi przez macicę oraz jajowody – potrzebuje dużej ilości energii. Energia ta wytwarzana jest we wstawce, czyli specjalnej strukturze plemnika, w której znajduję się mitochondria. W momencie zapłodnienia główka plemnika „wstrzykuje” swój materiał genetyczny do wnętrza komórki jajowej. Wstawka zostaje jednak na zewnątrz, czyli praktycznie niemożliwe jest żeby mitochondria ojca znalazły się w zapłodnionej komórce jajowej. Zupełnie inaczej wygląda dziedziczenie mitochondriów w komórkach jajowych. Podczas rozwoju płodowego dziecka płci żeńskiej powstają wszystkie komórki jajowe (w przeciwieństwie do plemników, które wytwarzane są na bieżąco), jednak i ten pogląd jest ostatnio podważany [5]. Pierwotne komórki gametyczne ulegają podziałom dając kolejne pokolenia komórek jajowych. Każda z tych komórek będzie posiadać trochę inny materiał genetyczny, dzięki czemu dochodzi do zróżnicowania materiału genetycznego u potomstwa. Zrozumienie tego zjawiska ułatwi nam porównanie z butelką. Załóżmy, że w butelce znajdują się dwa rodzaje mitochondrialnego DNA w postaci kul- białych i czarnych. Kul czarnych jest znaczenie więcej niż białych. Naszym zadaniem jest wybranie kul i przełożenie do odpowiednich pojemników (komórek jajowych). Trudnością jest fakt, iż nasze oczy są zasłonięte (czyli wybór jest losowy). Większość z naszych pojemników będzie posiadać tylko czarne kule (jeden rodzaj mitochondrialnego DNA. Będą jednak też takie, które będą zawierać różną ilość białych kul (różne rodzaje mitochondrialnego DNA). Jeśli wszystkie mitochondria, które znalazły się nowej komórce jajowej, posiadają takie samo mitochondrialne DNA, to mówimy o zjawisku homoplazmii. Jednak gdy mitochondria w tej jednej komórce posiadają różne DNA to mówimy o heteroplazmii [6]. Zjawisko to jest ważne z jednego istotnego powodu. Obecność mitochondriów z różnym mitochondrialnym DNA może czasami przyczynić się do rozwoju choroby.

W genetyce zawsze są wyjątki. Tak i tutaj istnieje możliwość, że część mitochondriów ojca przechodzi do zapłodnionej komórki jajowej. W takiej sytuacji powinny one zostać usunięte podczas kolejnych podziałów komórkowych, co jednak nie zawsze ma miejsce. Dlatego występujące nieprawidłowe warianty patogenne (mutacje) w mitochondrialnym DNA są przekazywane prawie wyłącznie od strony matki. Czasami i tak zdarza się przekazanie mitochondriów ojcowskich, jednak jest to zjawisko bardzo rzadkie [7].

Kolejnym zjawiskiem, które ma miejsce w dziedziczeniu mitochondrialnym, jest różny stopień nasilenia objawów chorób mitochondrialnych. Jeśli w komórkach występuje dużo mitochondriów z nieprawidłowym DNA, to objawy choroby mogą być bardziej nasilone niż w przypadku, gdy liczba mitochondriów z nieprawidłowym DNA jest mniejsza.

Choroba Lebera jako przykład schorzenia mitochondrialnego

Jedną z chorób spowodowanych wariantami patogennymi (mutacjami) w genomie mitochondrialnym jest dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego Lebera (z ang. Leber’s hereditary optic neuropathy, LHOH). Schorzenie to powoduje stopniowy zanik obu nerwów wzrokowych, czyli struktur, które przewodzą impulsy nerwowe generowane na siatkówce oka (patrz przypis 9) do odpowiednich ośrodków wzrokowych w mózgu. Pierwsze objawy tej choroby zazwyczaj pojawiają się pomiędzy 15 a 35 rokiem życia. Polegają one na stopniowej utracie wzroku w jednym oku. Choroba może postępować nawet przez wiele lat, jednak nieuchronnie prowadzi do utraty wzroku. Zazwyczaj po objawach w jednym oku pojawiają się one także w drugim [8]. Bardzo interesującym aspektem jest fakt, iż liczba chorych mężczyzn jest nawet 8 razy większa niż liczba chorych kobiet, pomimo tego, iż nie jest to choroba sprzężona z płcią (patrz przypis 10). Obecnie brak jest lekarstwa na tą chorobę. Toczą się jednak pracę nad wytworzeniem skutecznej terapii genowej [9]. Badania skupiają się na stworzeniu odpowiedniego wektora wirusowego (patrz przypis 11) zawierającego prawidłową wersję genu odpowiadającego za chorobę (MT-ND4). W próbach klinicznych przeprowadzonych do tej pory takie terapeutyczne cząsteczki były wstrzykiwane do ciała szklistego w oku (Jest ono wypełnione galaretowatą, przejrzystą substancją). Potrzebne są badania na większe liczbie osób, które będą w stanie powiedzieć więcej na temat skuteczności tego typu leczenia [10,11].

Warto zapamiętać

Mitochondria są zdecydowanie jedynymi z najciekawszych organelli komórkowych, które można znaleźć w naszych komórkach. Biorą one udział w wielu ważnych życiowo procesach. Niestety problemy w zakresie ich materiału genetycznego mogą być także przyczyną różnych chorób, zazwyczaj dotykających te narządy, które wymagają największą ilość energii, takie jak oczy czy mięśnie. Najbliższe lata na pewno przyniosą nowe odkrycia w zakresie terapii genowych tych chorób.

  • Mitochondria są strukturami znajdującymi się w komórkach; ich funkcją jestm.in. proces oddychania komórkowego czy regulacja apoptozy
  • Mitochondria swoją budową przypominają komórki bakteryjne
  • DNA mitochondrialne zawiera 37 genów
  • Choroby mitochondrialne dziedziczą się niemal wyłącznie od matki
  • Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych Lebera jest chorobą mitochondrialną prowadzącą do stopniowej utraty wzroku. Występuje w zdecydowanej większości u mężczyzn.

 

Przypisy:

  1. Organellum komórkowe to struktura znajdująca się wewnątrz komórek odpowiadająca za konkretną funkcję np. wytwarzanie białek
  2. ATP (Adenozynotrójfosforan) to substancja będąca głównym przenośnikiem energii w komórkach ludzkich
  3. Beta – oksydacja to proces zachodzący w mitochondriach i prowadzący do wytworzenia substratów, które zostaną zużyte do wytworzenia energii w organizmie. Beta – oksydacji podlegają kwasy tłuszczowe
  4. Rybosom to struktura na której dochodzi do produkcji białek
  5. Błona komórkowa jest strukturą ograniczającą zawartość pojedynczej komórki
  6. Macierz mitochondrialna to płyn wypełniający mitochondria
  7. tRNA to rodzaj kwasu RNA (rybonukleinowego), którego funkcją jest transport odpowiednich aminokwasów do budowy białek
  8. rRNA to rodzaj kwasy RNA (rybonukleinowego), którego funkcją jest uczestniczenie w budowie rybosomów
  9. Siatkówka jest jedną z trzech warstw budujących oko (inne to twardówka oraz naczyniówka). Odpowiada za odbieranie bodźców świetlnych
  10. Choroba sprzężona z płcią to taka której objawy pojawiają się praktycznie tylko u jednej płci. Zazwyczaj dotyczy to mężczyzn z uwagi na posiadanie wyłącznie jednego chromosomu X
  11. Wektor wirusowy to wytworzona metodami inżynierii genetycznej cząsteczka wirusa do której możliwe jest włączenie genu o konkretnej długości

 

Bibliografia:

[1] Osellame LD, Hons BS, Ph D, Blacker TS, Duchen MR, Oxon BA. Cellular and molecular mechanisms of mitochondrial function. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 2012;26:711–23. doi:10.1016/j.beem.2012.05.003.

[2] Kühlbrandt W. Structure and function of mitochondrial membrane protein complexes. BMC Biol 2015:1–11. doi:10.1186/s12915-015-0201-x.

[3] Martin WF, Garg S, Zimorski V, Martin WF. Endosymbiotic theories for eukaryote origin 2015.

[4] Schon E, DiMauro S, Hirano M. Human mitochondrial DNA: roles of inherited and somaticmutations. Nat Rev Genet 2012;13:878–90. doi:10.1038/nrg3275.Human.

[5] Woods DC, Telfer EE, Tilly JL. Oocyte family trees: Old branches or new stems? PLoS Genet 2012;8:8–10. doi:10.1371/journal.pgen.1002848.

[6] Cree LM, Samuels DC, Chinnery PF. Inheritance of pathogenic mitochondrial DNA mutations. Acta Biochim Biophys 2009;1792:1097–102. doi:10.1016/j.bbadis.2009.03.002.

[7] Luo S, Valencia CA, Zhang J, Lee N, Slone J, Gui B, et al. Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans 2018;115:13039–44. doi:10.1073/pnas.1810946115.

[8] Mariak Z, Obuchowska I. Dziedziczna neuropatia nerwów wzrokowych LeberaNo Title. Med Prakt n.d. https://www.mp.pl/pacjent/okulistyka/chorobyoczu/neurookulistykaizez/82740,dziedziczna-neuropatia-nerwow-wzrokowych-lebera (accessed November 28, 2020).

[9] Zhang Y, Tian Z, Yuan J, Liu C, Li B. The Progress of Gene Therapy for Leber’s Optic Hereditary Neuropathy 2017:320–6. doi:10.2174/1566523218666171129204926.

[10] Yang S, Ma S qi, Wan X, He H, Pei H, Zhao M jian, et al. Long-term outcomes of gene therapy for the treatment of Leber’s hereditary optic neuropathy. EBioMedicine 2016;10:258–68. doi:10.1016/j.ebiom.2016.07.002.

[11] Feuer WJ, Schiffman JC, Davis JL, Porciatti V, Gonzalez P, Koilkonda RD, et al. Gene therapy for leber hereditary optic neuropathy initial results. Ophthalmology 2016;123:558–70. doi:10.1016/j.ophtha.2015.10.025.

 

Podziel się: