środa, 25 maja 2016

Moje drogie mitochondrium

Osobom, które nie przepadały za biologią w czasach szkoły, mitochondrium zapewne bardzo źle się kojarzy. Sama nazwa jakaś dziwna, nie brzmiąca po polsku, skomplikowana. Pamiętam, jak na języku angielskim w liceum nauczycielka powiedziała, że współczuje nam, że musimy się „uczyć biologii, o jakichś mitochondriach i nie wiadomo czym”. Przyjąłem to z rozbawieniem, ale założę się, że podobnie na mnie mogliby zareagować na przykład pasjonaci samochodów, które kompletnie mnie nie interesują i nigdy nie interesowały, w związku z czym już samo wymienianie rodzajów aut, marek i innych niesamowicie mnie zanudza. W tym tekście chciałbym napisać nieco o mitochondriach, bez męczenia czytelników ich strukturą czy funkcjonowaniem, a z odniesieniami do bliskiego nam codziennego życia.

mitochondrium

Teoria endosymbiozy

Przez wiele lat naukowcom wydawało się, że wszystkie eukarionty zawierają mitochondria. Okazuje się, że istnieją wyjątki. Na początek jednak warto zastanowić się nad tym, skąd w ogóle nasze komórki mają mitochondria. W XX wieku zastanawiało to badaczy, którym w końcu udało znaleźć się odpowiedź na tę zagadkę. Światowej sławy mikrobiolożka, Lynn Margulis, znalazła dowody na postawioną wcześniej hipotezę, że nasze energetyczne centra komórkowe to efekt pradawnego wchłonięcia jednej komórki przez drugą. Ta zaabsorbowana produkowała energię, będąc w zamian chronioną np. przed tlenem przez komórkę absorbującą. Ich cykl życiowy (jeśli o takim można było wówczas mówić) zjednoczył się, DNA jednej i drugiej dziedziczyły się razem do nowego pokolenia, choć jednocześnie niezależnie – mitochondrialne DNA osobno, jądrowe DNA osobno.

Jakie dowody przemówiły za tą hipotezą, podnosząc ją do rangi teorii naukowej? Przede wszystkim, jak już napisałem, DNA mitochondrialne (mtDNA) jest oddzielone od jądrowego, tworzącego główny genom i jest koliste – tak jak u prokariontów (bezjądrowców, bakterii). Chociaż jądrowe DNA zawiera niektóre sekwencje mitochondrialne, których transfer w drodze ewolucji nie jest niczym niezwykłym, to geny mitochondrialne funkcjonują niezależnie i kodują głównie białka odpowiedzialne za proces oddychania komórkowego. Ponadto mitochondria rozmnażają się przez podział. Nie zachodzi w nich crossing-over (wymiany fragmentów między homologicznymi chromosomami), przez co zmienność ich informacji genetycznej jest dużo mniejsza, niż DNA jądrowego. Niektóre białka produkowane w mitochondriach przypominają te prokariotyczne, a błona otaczająca mitochondrium ma budowę wskazującą na wcześniejszą niezależność, inną od błon reszty elementów w komórce. Rybosomy służące do produkcji białek mitochondrialnych są bliższe tym prokariotycznym. 

mitochondrialne DNA
mtDNA, Knopfkind, Wikimedia

Mitochondria i plastydy

Wszystko to oraz bardziej szczegółowe informacje wykazują słuszność teorii endosymbiozy. Chociaż tekst ten jest o mitochondriach, warto wspomnieć tutaj także o plastydach (w tym chloroplastach), czyli niezależnych organellach u roślin i glonów, które podobnie jak mitochondria, zostały wchłonięte, najprawdopodobniej w formie przodków sinic, dając „w zamian” za ochronę produkty fotosyntezy, czyli „pokarm”. Co ważne, zjawisko wchłonięcia fotosytetyzującego mikroorganizmu przez drugi mikroorganizm zaobserwowano eksperymentalnie. Naukowcy odkryli, że pierwotniak Hatena arenicola (bez polskiej nazwy), który normalnie poluje na zielenice (występujące nie tylko w formach wielokomórkowych, ale także jednokomórkowych), po wchłonięciu jest w stanie bez ich trawienia, korzystać z powstałych produktów przeprowadzanej dalej fotosyntezy. Mamy zatem nie tylko pośrednie dowody, ale także bezpośrednie obserwacje, potwierdzające teorię endosymbiozy.

Dziedziczenie mitochondrialnego DNA

Kolejną ciekawą kwestią dotyczącą mitochondrium jest to, jak się ono dziedziczy. Być może słyszeliście o tak zwanej Mitochondrialnej Ewie. Dlaczego nie o Adamie? Ponieważ mitochondria i tym samym DNA mitochondrialne dziedziczymy tylko po matce (mitochondria dziedziczone po ojcu to wyjątki). Oocyt gromadzi mitochondria w cytoplazmie. Ta sama cytoplazma, z takim właśnie składem, po zapłodnieniu stanie się środowiskiem dla genomu nowego zarodka, zostanie po prostu cytoplazmą zygoty. W oocycie znajduje się bardzo dużo kopii mitochondriów i jeszcze więcej ich DNA – im więcej, tym lepiej, gdyż ze wzrostem ich liczby, zmniejsza się prawdopodobieństwo, że populację zdominują te niewłaściwe, wadliwe mitochondria. Plemnik również zawiera mitochondria, ale ma ich znacznie mniej, a w drodze do oocytu większość może zostać utracona. Gdy jakieś plemnicze mitochondrium dostanie się do ooplazmy (cytoplazmy oocytu), to i tak najczęściej jest zniszczone. 

mitochondrialna Ewa
C. Rottensteiner, Wikimedia

Dlaczego mtDNA dziedziczymy tylko po matce?

Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że plemniki wykonują ruch, do czego potrzebują energii uzyskanej właśnie z mitochondriów. Podczas jego wykonywania generowane są reaktywne formy tlenu, uszkadzające mtDNA, a zarodek musi dostać całkowicie zdrowe, nieuszkodzone, nowiutkie mitochondrialne DNA, w związku z czym ważne jest, by dostał te uśpione, a zatem nie mające okazji się nadszarpnąć, mitochondrialne DNA po matce. Stąd też ewolucyjnie ukształtowane dziedziczenie mitochondriów po płciowej komórce nieruchliwej, czyli po oocycie. Ponieważ, jak wspomniałem, mitochondrialne DNA z pokolenia na pokolenie ulega minimalnym zmianom, gdyż nie zachodzi w nim crossing-over, a oocytarna cytoplazma przez bardzo długi czas pozostaje „nieaktywna”, to potencjalnie jesteśmy w stanie dojść po mtDNA do Mitochondrialnej Ewy.

Aktywność fizyczna i mitochondria

aktywność fizyczna
Do mitochondriów musimy nawiązać też, gdy mówimy o korzyściach, jakie przynoszą nam regularne ćwiczenia. Wie o tym każdy, zewsząd jesteśmy informowani, że jedzenie owoców i warzyw oraz aktywność fizyczna i wysypianie się to podstawy dbania o swoje zdrowie (a jeśli ktoś pali papierosy, to także rzucenie palenia). Tylko dlaczego tak się dzieje? W zasadzie opiera się to o taki sam mechanizm, jaki utrzymuje ewolucyjna presja na rozmnażaniu płciowym – do oocytu nie mogą dotrzeć używane mitochondria z plemnika, a sam oocyt swoje mtDNA przechowuje „uśpione”. Podczas ćwiczeń natomiast nasze mitochondria chętniej się dzielą, a ponieważ z czasem ulegają uszkodzeniom, to większa ich liczba w młodym wieku, kiedy są stosunkowo „zdrowe”, uzyskana dzięki regularnym ćwiczeniom, pozwala nam spowolnić starzenie się naszych mitochondriów.

Choroby mitochondrialne

Zaburzenia w pracy mitochondriów to nie tylko ciekawostka dla genetyków - współczesna medycyna podejmuje się tematu chorób mitochondrialnych. To, czy i kiedy oraz w jakich narządach wystąpią zależy od ich pierwotnego i wtórnego zróżnicowania – to jest to, o czym wspominałem wyżej. Im więcej poprawnych kopii mtDNA tym mniejsze szanse na rozprzestrzenienie się tych wadliwych, gorzej działających, podczas podziałów. Trzeba jednak zauważyć, że w wyniku migrowania DNA z mitochondriów do jądra w toku ewolucji, także niektóre geny mitochondrialne, a obecne w genomie jądrowym, mogą odpowiadać za lepsze, gorsze czy złe funkcjonowanie mitochondriów, zależnie od sekwencji nukleotydów owego genu. Do przykładowych chorób mitochondrialnych należą Zespół Pearsona czy miopatia mitochondrialna.

Istnienie i aktywność mitochondriów wiąże się z ewolucją eukariontów, wielokomórkowców, ewolucją fotosyntezy, ewolucją starzenia, medycyną, dietetyką, a nawet sportem. Ta niepozorna cząsteczka, mitochondrialne DNA, mająca obecnie zaledwie około 16500 nukleotydów, kodująca tylko 37 genów (22 tRNA, 13 białek, 2 rRNA), odegrała i odgrywa dużą rolę w wielu fundamentalnych biologicznie zjawiskach. Niektórzy debatują nad tym czy z funkcjonowaniem mitochondriów i powstawaniem w nich wolnych rodników, nie wiąże się nawet ewolucja płci. Mitochondriom można też przypisać współudział w tworzeniu zmian klimatu (choć to rzecz jasna udział bardzo niewielki w naszej krótkiej skali czasu, tym bardziej znikomy, jeśli porównamy go do wywołanego przez nas globalnego ocieplenia) i innym pozabiologicznym wydarzeniom. Tak dużo i o wiele więcej kryje się za tą dziwną i zniechęcającą, przynajmniej dla niektórych, nazwą.

Literatura
Hieronim Bartel. Embriologia. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.
Karnkowska, Anna, et al. "A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle."Current Biology (2016).
Okamoto, Noriko, and Isao Inouye. "A secondary symbiosis in progress?"Science (2005): 287-287.
Robert Murray, Daryl Granner, Victor Rodwell. Biochemia Harpera. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2014.
Schwartz, Marianne, and John Vissing. "Paternal inheritance of mitochondrial DNA." New England Journal of Medicine (2002): 576-580.

7 komentarzy:

  1. strażnik bentosu28 maja 2016 02:12

    Pytanie "dlaczego mitochondria dziedziczymy tylko po matce pozostaje jednak bez ostatecznej odpowiedzi. Argument o wyeksploatowaniu plemnikowych mitochondriów wydaje się ciut naciągany, bo przecież w całym życiu osobniczym pracują one ciężko i zwyczajnie muszą dawać radę. Sporadyczne przecieki ojcowskiego mtDNA wskazują wszakże, że mitochondria mogą wnikać do komórki jajowej; zidentyfikowano także biochemiczny mechanizm ich eliminacji - znakowanie ubikwityną. Czyżby klonalne dziedziczenie było pamiątką po endosymbiozie i towarzyszącej jej konkurencyjności na zasadzie "wara, to mój symbiont"?

    BTW: zidentyfikowano nie tylko przypadki przecieków ojcowskich mitochondriów, czyli heteroplazmię, ale także rekombinację między mitochondrialnymi genomami u takich osób:
    http://www.nature.com/hdy/journal/v93/n4/full/6800572a.html
    Jeszcze ciekawsze wydaje się zjawisko konsekwentnej heteropalazmii u samców niektórych małży, wraz z jej złożonymi regułami:
    https://books.google.pl/books?id=C-aSjMj8FK8C&pg=PA157&lpg=PA157&dq=skibi%C5%84ski+DUI&source=bl&ots=gLYLu3Ka-3&sig=jqgIxCjLNxVZTHp6v9RI2D2AOZM&hl=pl&sa=X&ved=0ahUKEwjz0Ym6vfvMAhUkQZoKHVJyD1wQ6AEIbzAJ#v=onepage&q=skibi%C5%84ski%20DUI&f=false

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pracują one ciężko, ale jest ich mnóstwo, tutaj mamy te pionierskie, zakładające cały organizm, będące wyjściowymi dla reszty ;-). Ale oczywiście sprawa nie jest ostatecznie wyjaśniona. Co do dostawania się męskiego mtDNA do oocytu, to dzisiaj wydaje się być to normą, po prostu - jak napisałeś - jest ono eliminowane. Informacja o c/o mtDNA bardzo ciekawa.

      Usuń
  2. ja też jakoś szczególnie nie interesuje sie autami:)

    OdpowiedzUsuń
  3. Zupełnie sobie tego z biologii nie przypominam, ale w liceum to nie był raczej przedmiot dla mnie. Zawsze do niego podchodziłam jak do jeża :).

    OdpowiedzUsuń
  4. Jest taki film na yt o działaniu komórki. Fascynująca sprawa.

    OdpowiedzUsuń
  5. Może się przyda: Glutation i mitochondrium - http://www.stachurska.eu/?p=19050 .

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. "(badanie z przełomu wieku, skrzętnie ukryte, ale do znalezienia na pubmed)." - PŁACZĘ :'D

      Usuń