Mimojadrová dedičnosť

Mimojadrová (extrachromozomálna) dedičnosť je dedičnosť viazaná na semiautonómne bunkové organely, ktoré majú vlastnú genetickú informáciu v podobe DNA. Patria sem mitochondrie a u rastlín aj chloroplasty. Tieto organely nazývame súhrnne aj extrachromozomálne genetické elementy. Mitochondriálna DNA sa skrátene zvykne zapisovať ako mtDNA a chloroplastová DNA sa zapisuje ako cpDNA.

Genetickú informáciu mitochondrií a chloroplastov tvorí dvojreťazcová, väčšinou kruhová molekula DNA, ktorá sa v každej organele nachádza v mnohých kópiách. Podobne ako u prokaryotov, táto DNA nie je asociovaná s bázickými bielkovinami (histónmi). Kóduje rRNA, tRNA a niektoré štruktúrne i funkčné proteíny enzymatických komplexov (pre oxidatívnu fosforyláciu v mitochondriách a fotofosforyláciu v chloroplastoch). Z evolučného hľadiska však boli zložitými mechanizmami viaceré gény z mitochondrií a chloroplastov historicky prenesené do bunkového jadra. Znamená to, že mnohé ich proteíny sa syntetizujú v cytoplazme bunky a až posttranslačne sa transportujú do týchto organel. Samotná replikácia, transkripcia a translácia v organelách sú v mnohých aspektoch podobné prokaryotickej mašinérii, čo priamo vyplýva z evolučného pôvodu mitochondrií a chloroplastov (endosymbiotická teória).

Špecifickým príkladom je ľudská mitochondriálna DNA (mtDNA), ktorá má veľkosť presne 16 569 párov báz a je vysoko kompaktná, pričom na rozdiel od jadrovej DNA vôbec neobsahuje intróny. Kóduje presne 37 génov: 13 polypeptidových reťazcov (všetky sú súčasťou dýchacieho reťazca), 22 génov pre tRNA a 2 gény pre rRNA. Mitochondriálny genóm sa od jadrového odlišuje aj mierne odlišným genetickým kódom (napríklad triplet UGA tu nefunguje ako stop-kodón, ale kóduje aminokyselinu tryptofán). Zároveň vykazuje oveľa vyššiu náchylnosť na mutácie. Je to spôsobené tým, že mtDNA nie je chránená histónmi, má slabšie reparačné mechanizmy a je priamo vystavená oxidačnému stresu z voľných radikálov, ktoré prirodzene vznikajú pri dýchaní v mitochondrii.

Dedičnosť viazaná na mimojadrovú DNA je typická nasledujúcimi znakmi:

• nemendelistickými štiepnymi pomermi v dcérskych generáciách, ktoré úzko súvisia s rôznou distribúciou týchto organel pri bunkovom delení
• rozdielnymi výsledkami recipročných krížení (samec × samica prináša iný výsledok ako samica × samec)
• príčinou predchádzajúceho bodu je uniparentálny prenos DNA (po jednom z rodičov), a to veľmi často výlučne maternálny (matrilineárny), teda len po matke
• vyštepovaním rekombinantných fenotypov aj pri mitotickom delení (čo taktiež súvisí s distribúciou organel pri delení buniek)
• neschopnosťou mapovania mimojadrových génov do väzby s akýmkoľvek jadrovým génom (pretože fyzicky v jadre a ani vo väzbe s jeho chromozómami nie sú)
• pretrvávaním mutantného fenotypu (ak je mimojadrový gén mutovaný) aj pri experimentálnom odstránení alebo výmene jadra bunky
• prípadným infekčným prenosom, t. j. prenosom genetickej informácie pri kontakte buniek bez výmeny jadrovej DNA, ale s výmenou cytoplazmy, v ktorej sa extrachromozomálne genetické elementy nachádzajú. Platí to hlavne pre konjugatívne plazmidy, prípadne u eukaryotov môžu fenotyp buniek zmeniť baktérie a vírusy nachádzajúce sa v cytoplazme.

Výnimočne sa môže vyskytnúť aj biparentálna dedičnosť, kedy po splynutí pohlavných buniek dochádza k zmiešaniu cytoplazmy so zhruba ekvivalentným množstvom mimojadrovej DNA od matky a od otca. Takýto cytoplazmatický hybrid sa odborne nazýva cytohet alebo heteroplazmón.

Plazmidy a iné extrachromozomálne elementy link

Hoci sa mimojadrová dedičnosť u eukaryotov spája najmä s vyššie spomenutými organelami, existujú aj iné špecifické formy extrachromozomálnej DNA. Klasickým príkladom sú plazmidy, ktoré sú typické najmä pre prokaryoty. Sú to malé, kruhové molekuly DNA nesúce doplnkovú genetickú informáciu (napríklad gény rezistencie na antibiotiká), ktoré sa replikujú nezávisle od hlavného bakteriálneho chromozómu.

Podobné, no odlišné štruktúry poznáme aj z eukaryotických buniek. Príkladom pravých eukaryotických plazmidov je tzv. kryptický plazmid u kvasiniek (tvorený dvojvláknovou kruhovou DNA), lineárne plazmidy v niektorých hubách a riasach, a tiež molekuly v mitochondriách niektorých vyšších rastlín, ktoré sa replikujú nezávisle od hlavného mitochondriálneho genómu. Naopak, v jadrách živočíchov (vrátane človeka) sa nachádza extrachromozomálna cirkulárna DNA (eccDNA). Tá sa za plazmid nepovažuje, pretože je priamo odvodená z vlastných chromozómov hostiteľskej bunky. V minulosti bola spájaná najmä s patofyziológiou (rakovinové bunky), no podobné štruktúry sa našli aj za normálnej fyziológie vo svalových bunkách. Ich presný pôvod a význam sa doposiaľ vedecky študuje.

Materské efekty link

Tieto javy úzko súvisia s vývinom vajíčka (oocytu) v materskom organizme. Materský efekt (matroklínia) je fenotyp založený na jadrovom genóme matky, ktorého základom sú molekuly mRNA alebo proteíny prenesené do oocytu ešte pred samotným oplodnením. Tieto molekuly priamo riadia a ovplyvňujú vývoj embrya v jeho ranom štádiu. Fenotyp zygoty pri materských efektoch závisí od jadrových génov vyživovacích buniek oocytu z materského organizmu. Kdežto pri klasickej maternálnej dedičnosti je fenotyp determinovaný reálnymi mimojadrovými génmi organel, ktoré zygota fyzicky „zdedila“ z matkinej strany (oocyt je bohatý na cytoplazmu, zatiaľ čo spermia nemá takmer žiadnu cytoplazmu).

V dôsledku tohto matroklinného efektu sú odhady dedivosti (heritability) pri kvantitatívnych znakoch v populačnej genetike často štatisticky vyššie, ak sa počítajú na základe vzťahu matka – potomstvo, než keď sa počítajú na základe vzťahu otec – potomstvo.

Genetická analýza mimojadrovej dedičnosti link

Základnou genetickou metódou výskumu je kríženie (hybridizácia) jedincov so študovaným znakom. Prítomnosť nemendelistických štiepnych pomerov, rozdiely v recipročných kríženiach a dedičnosť znaku výlučne v prospech jedného z rodičov jasne naznačujú mimojadrovú genetickú podmienenosť daného znaku.

Pri štúdiu mimojadrových génov zohrali historicky dôležitú úlohu dva modelové organizmy. Kvasinka Saccharomyces cerevisiae je mikroskopická huba, ktorá primárne získava energiu aeróbnou respiráciou, čo jej zabezpečujú mitochondrie. Je však schopná tolerovať rozsiahle delécie alebo aj kompletnú stratu svojej mtDNA a vtedy jednoducho prechádza na anaeróbnu fermentáciu (skvasovanie) cukrov. Takéto, tzv. respiračne deficitné kvasinkové petite mutanty (čítaj petit) tvoria na Petriho miskách viditeľne menšie kolónie (z franc. petit = malý). Dôvodom je, že fermentácia je energeticky oveľa menej výkonná ako respirácia, takže bunky rastú a delia sa pomalšie.

Druhým kľúčovým modelovým organizmom je jednobunková riasa Chlamydomonas reinhardtii, ktorá stojí na rozhraní rastlinnej a živočíšnej ríše. Tento mikroorganizmus dokáže pri strate svojej cpDNA flexibilne prejsť z fotoautotrofie na heterotrofný spôsob výživy, pričom v závislosti od podmienok prostredia je schopný aj mixotrofie.

Príklady nemendelistickej dedičnosti link

Nocovka jalapová link

Klasickú maternálnu dedičnosť vykazuje znak panašovania listov (biele a žlté škvrny) nocovky jalapovitej (Mirabilis jalapa). U tejto rastliny je sfarbenie listov F₁ generácie dané výlučne sfarbením samičej rastliny, pretože peľ neobsahuje prakticky žiadnu cytoplazmu a teda ani extrachromozomálne genetické elementy. Ak je samičia rastlina zelená (funkčné chloroplasty), potomstvo bude zelené, ak je žltkastá až biela (vysoká prevaha leukoplastov), potomstvo bude biele.

Tento jav priamo súvisí s poruchou tvorby chlorofylu v plastidoch. Ak rastlinu s poškodenými chloroplastami opelí peľ zdravej rastliny, potomstvo bude mať poškodenie (zdedí defektné chloroplasty z vajíčka). Naopak, ak zdravú rastlinu opelí peľ z poškodenej, potomstvo bude úplne zdravé, pretože peľ (spermia) svoju cytoplazmu a plastidy do zygoty neprinesie.

Panašované rastliny majú zhruba ekvivalentný počet chloroplastov a leukoplastov, čo pri ich nerovnomernej mitotickej distribúcii vytvára na listoch zelené, žlté a biele škvrny. Takáto nerovnomerná distribúcia nastáva aj v meióze, takže takáto panašovaná samičia rastlina produkuje tri typy pohlavných buniek – zelené, panašované a biele. F₁ generácia potomkov už teda nebude uniformná.

Saccharomyces cerevisiae link

V prípade kvasinky Saccharomyces cerevisiae sledujeme po krížení haploidných rodičov (MATa × MATα) fenotyp diploidnej F₁ generácie a po následnej sporulácii (meióze) výskyt petite kolónií v F₂ generácii. To, či je znak viazaný na jadrové alebo mimojadrové gény, určíme podľa výsledkov. Podľa toho rozlišujeme 3 typy petite mutantov:

V prípade segregačného mutanta sa jedná o typickú mendelistickú dedičnosť viazanú na jadrové gény s úplnou dominanciou alely pet⁺ voči pet⁻. Petite mutácie tohto typu sú veľmi zriedkavé.

Neutrálny mutant má názov odvodený od toho, že svojím fenotypom neovplyvňuje divý typ. Jedná sa o kompletnú deléciu mtDNA, takže bunky ρᴺ (ró) žijú len z fermentácie (deponovanej v cytoplazme), ktorej zložky biochemickej dráhy sú kódované jadrovým genómom. Po splynutí s divým typom dochádza k plnému obnoveniu normálneho fenotypu.

Supresorový mutant je zvláštnym typom petite mutanta, ktorý potláča účinok funkčných mimojadrových génov divého typu. Tento mutant (ρˢ) má deletované časti mitochondriálnej DNA, pričom zostávajúce časti majú tendenciu duplikovať sa, aby sa nastolilo pôvodné celkové množstvo mtDNA. Duplikované úseky DNA sa môžu navzájom rekombinovať, čím dochádza k prestavbám DNA a disrupcii génov kódujúcich otvorené čítacie rámce proteínov dýchacieho reťazca. Takéto mutované molekuly mtDNA interagujú aj s mtDNA divého typu, takže preto pretrváva mutantný fenotyp aj v ďalších generáciách. Toto je najčastejší typ petite mutantov.

Chlamydomonas reinhardtii link

Životný cyklus tejto riasy je podobne ako u kvasiniek rozdelený na haploidnú a diploidnú fázu, pričom kríženie môže prebiehať len medzi bunkami s odlišným párovacím typom (mt⁺ × mt⁻). Skratka mt pochádza z angl. mating type (párovací typ) a v tomto kontexte nijako nesúvisí s označením pre mitochondriálnu DNA. Tento typ je determinovaný geneticky. Po splynutí buniek dochádza aj k výmene cytoplazmatických genetických elementov, pričom platí prísne pravidlo: mitochondrie sa dedia po mt⁻ rodičovi a chloroplasty sa dedia po mt⁺ rodičovi.

Limnaea peregra link

Dedičnosť vinutia ulity tohto slimáka je klasickým učebnicovým príkladom materských efektov. Smer vinutia ulity je daný alelami jadrového génu: dominantná alela D determinuje pravotočivú ulitu (P) a recesívna alela d ľavotočivú ulitu (L), pričom alela D je úplne dominantná nad d. F₁ generácia má ulity zatočené presne tak, ako ich má samičí rodič. To môže naznačovať materské efekty, ale aj maternálnu dedičnosť daného znaku determinovanú mimojadrovými génmi. Skutočnú príčinu objasní až F₂ generácia vzniknutá samooplodnením jedincov F₁ generácie. Vinutie ulity totiž neovplyvňuje aktuálny genotyp zygoty, ale produkty (mRNA, bielkoviny), ktoré sa dostali do oocytu počas fertilizácie v materskom rodičovskom organizme. Z toho vyplýva, že vinutie ulity potomka je plne dané genotypom jeho matky.

• P × P: recipročné kríženia rodičov
• F₁: uniformná F₁ generácia, ktorej fenotyp je plne determinovaný genotypom matky
• F₂: samooplodnenie Dd → genotypové štiepne pomery sú \( 1 : 2 : 1 \), no fenotyp je u všetkých P, pretože ich rodič mal genotyp Dd (s dominatnou alelou)
• F₃: samooplodnenie každého genotypu; genotypy DD aj Dd produkujú vo svojom potomstve len fenotyp P, pretože majú dominantnú alelu D; jedine matka s genotypom dd produkuje ľavotočivé potomstvo s fenotypom L

Homo sapiens link

U človeka existuje niekoľko závažných dedičných chorôb, ktoré priamo súvisia s poruchami a mutáciami mtDNA. Tieto choroby postihujú predovšetkým orgány, ktoré majú vysoké energetické požiadavky, ako sú mozog, kostrové svaly, obličky (renálny systém) a endokrinný systém. Klinická genetika označuje túto heterogénnu skupinu chorôb ako mitochondriopatie (patrí sem napríklad mitochondriálna myopatia, Kearn-Sayreov syndróm alebo Pearsov syndróm).

Pre mutácie v mtDNA je typická extrémna pleiotropia – to znamená, že identická mutácia môže mať u dvoch rôznych pacientov úplne iné klinické prejavy a naopak, rôzne typy mutácií môžu vyvolať ten istý fenotypový prejav.

Prenos mitochondriálnej DNA u ľudí je výhradne maternálny (po matke). V modernej genetike sa však prísne upozorňuje na fakt, že nie všetky mitochondriopatie sa dedia po matke. Viac ako 90 % všetkých proteínov potrebných na biogenézu a funkciu mitochondrií je totiž kódovaných v bunkovom jadre. Ak je mitochondriálna choroba spôsobená mutáciou jadrového génu (napríklad pre enzýmy metabolických cyklov), jej dedičnosť už nie je maternálna, ale klasická mendelovská (najčastejšie autozómová).