Betekintés a mitokondrium nanovilágába és genetikai felépítésük szervezésébe
Sejtjeink erőművei: mitokondriumok
Az emlőssejteknek van egy magja, amelyben a genetikai információ fő része kódolva van, és más sejtorganellák, amelyek különféle funkciókat töltenek be egy sejten belül. Az egyik legfontosabb sejtkomponens a mitokondrium (1. ábra). Ők a sejtek úgynevezett erőművei, és felelősek a szervezet energiaellátásáért. Feltételezzük, hogy a mitokondrium egykor független baktérium volt, és ezek szimbiózisba léptek egy eredeti, egyszerű prekurzorsejttel. A tudósok ezt a hipotézist arra alapozzák, hogy a mitokondriumok kettős sejtmembránnal és saját speciális genommal rendelkeznek. Ez a mitokondriális genom néhány rendkívül fontos fehérjét kódol, de csak a sejtmagból származó információval kombinálva teljesíthetők a tervezett funkciók. A prekurzor sejtek és baktériumok egyesülésével és ennek a szimbiózisnak a későbbi továbbfejlesztésével egy elválaszthatatlan és finoman szabályozott egység, az eukarióta sejt jött létre.
1. ábra: A mitokondrium a sejtek erőműve. A sejtorganellákat kettős membrán veszi körül, és saját genomjuk van (mtDNS). A légzési lánc alkotóelemei a belső membránban helyezkednek el. Az elektronok ezen komponensek mentén történő szállítása protongradienseket hoz létre, amelyek az ATP-szintáz enzimet vezérlik. Ez adenozin-trifoszfátot (ATP) hoz létre, amely egy univerzális "energiapénz", amely minden sejtben felhasználható.
Univerzális energiaforrás látja el a test összes folyamatát
A mitokondriumok elhatárolt organellák, amelyeket kettős sejtmembrán vesz körül. A légzési lánc fehérjekomplexei a belső membránban helyezkednek el. A sejtlégzés során az energia adenozin-trifoszfát (ATP) molekula formájában keletkezik egy kémiozmotikus folyamat során. Ehhez az elektronokat a belső mitokondriális membrán mentén egyik fehérjekomplexumból a másikba vezetik, összesen három állomáson keresztül. Végül az elektronok oxigénbe kerülnek, így víz keletkezik. Az elektrontranszport során a protonok kifelé kerülnek, ami töltéskülönbséget eredményez a belső mitokondriális membrán mindkét oldalán. Ezt a protongradienst használják az úgynevezett ATP-szintázok. Csatornaszerű átjárásukon keresztül a protonok ellenőrzött módon vezethetők vissza a mitokondrium belsejébe; a protongradiens miatt rendelkezésre álló energiát használják fel ATP előállítására. Az ATP egy közbenső energiatároló és univerzális energiaforrás, amely minden szövetben felhasználható.
A mitokondriális DNS-ben található egyes gének a fehérjék bizonyos alegységeit kódolják, amelyek részt vesznek a légzési láncban, míg más alegységek a sejtmagban vannak kódolva. A mitokondriális és a nukleáris DNS közötti kölcsönhatás ezért pontos koordinációt igényel a két genom között. Ezen fehérjék egyikének legkisebb szabálytalansága vagy hibás termelése a mitokondrium diszfunkciójához vezet [1]. Ezt követően számos klinikai patológiát írtak le, például kardiomiopátiát (szívbetegség), demenciát és ataxiát (koordinálatlan mozgásokkal megnyilvánuló betegség). A mitokondriális DNS mutációinak felhalmozódása és az ebből eredő mitokondriális diszfunkció után az öregedés tipikus jelenségeit, például az oszteoporózis kialakulását, az őszülést és a hajhullást, a súlycsökkenést és a bőr alatti zsírszövet csökkenését, vérszegénységet, a szív megnagyobbodását, süketséget és a várható élettartam csökkenését is leírták. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy a mitokondrium diszfunkciója hozzájárul az életkorral összefüggő betegségek, például a cukorbetegség és a Parkinson-kór kialakulásához [2].
Nukleoidok, a mitokondrium szervezeti egysége
Az ábra egy emberi bőrsejtet mutat, a mitokondriumokat (a sejt erőművei) piros színnel, a sejtmagot kék színnel és a mitokondriumok genetikai anyagát zöld színnel. A mitokondrium egy hálózatot alkot, amely az egész sejten átnyúlik. Ezek biztosítják a sejtek számára szükséges energiát.
Magukban a mitokondriumokban a genetikai anyag és a fehérjék komplexekbe, az úgynevezett mitokondriális nukleoidokba szerveződnek. Ezek az egységek fontos szerepet játszanak az öröklésben, mivel a mitokondriális genom csak anyától gyermekig terjed (2. ábra).
A mitokondriális nukleoid komplexek punctiform szerkezetekként láthatóvá tehetők a mikroszkópban. A hagyományos fénymikroszkóp felbontási határa 250 nanométer körül van, ami millimilliomod milliméternek felel meg. De még ez a lenyűgöző felbontás is túl durva, és mindeddig nem engedett pontosabb betekintést a nukleoidok szerkezetébe. A kölni, göteborgi és göttingeni kutatók pontosan itt kezdték a legmodernebb nagy felbontású STED mikroszkóppal, amelyet a Max Planck Biofizikai Kémiai Intézetben fejlesztettek ki Stefan Hell munkacsoportjában. E technológia segítségével ötször nagyobb felbontás érhető el, mint korábban (3. ábra).
A szuper nagy felbontású STED mikroszkópia mélyebb betekintést enged a mitokondriális genom szervezeti struktúrájába. A bemutatott sejtben a mitokondriumok (a sejt erőművei) vörös színűek, a sejtmag kék színű, a mitokondriumok genetikai anyaga pedig zöld. A szuper nagy felbontású mikroszkópiának köszönhetően az egyes genommolekulák először tisztábban választhatók el egymástól. Egy nagy molekula több kicsi, független molekulára bontható. Egy nukleoid, a mitokondrium szervezeti felépítése, csak egy genetikai anyagmolekulát tartalmaz, és körülbelül 1000 molekula csomagoló TFAM-proteint. A TFAM képezi tehát a nukleoidok fő összetevőjét.
A mitokondriális genom szervezeti felépítésének ezen alapvető meglátásai különösen fontosak a mitokondriálisan öröklődő betegségek megértésében, azaz anyától gyermekig. Ide tartoznak például a krónikusan progresszív külső oftalmoplegia (szemizom bénulás), az örökletes motor-érzékeny neuropathia (izomsorvadás) és a MELAS betegség (mitokondriális miopátia: súlyos neurológiai betegség, amely koordinálatlan mozgásokhoz vezet, és ritka esetekben az úgynevezett mitokondriális diabetes mellitus megy).
Ezenkívül régóta ismert, hogy kapcsolat van a sejt erőművei és az öregedés között. Az életkor előrehaladtával a mitokondriális DNS-ben természetesen előforduló mutációk halmozódhatnak fel, amelyek befolyásolják a sejtek energiatermelését és ezáltal a szervek ellátását.