Давно известно, что отклонения от нормы в последовательности нуклеотидов в ДНК передаются от родителей к детям и являются причиной врожденных нарушений обмена веществ. ДНК несет информацию о структуре ферментов и других белков, нужных для функционирования живой клетки. Поэтому ошибки в нуклеотидной последовательности могут привести к тому, что в клетках начнут образовываться аномальные белки или синтез какого-либо белка прекратится.
Во всех изученных до сих пор случаях наследственных нарушений метаболизма, например при серповидно-клеточной анемии и В-талассемии, нарушена генетическая информация в хромосомах ядра. Однако не весь генетический материал клетки находится в хромосомах. Например, ДНК обнаружена также и в митохондриях — «энергетических станциях» клетки, которые расположены в цитоплазме, окружающей ядро. Недавно в журнале "The New England Journal of Medicine" Дж. Эггер и Дж. Уилсон, сотрудники детской больницы в Лондоне, впервые сообщили о случае, когда нарушение обмена веществ передается от родителей к детям через митохондриальную ДНК.
Митохондрия устроена довольно сложно. Она имеет две мембраны, наружную и внутреннюю. В пространстве между мембранами находится много различных ферментов. Эти ферменты участвуют в окислении пирувата, жирных кислот и аминокислот до двуокиси углерода и воды. Окисление сопряжено с синтезом аденозинтрифосфатная (АТР), который служит «топливом» для клеточных процессов. Для того чтобы синтезировать АТР, каждой митохондрии нужен определенный набор ферментов. Генетическая информация о структуре этих белков находится как в ДНК ядра, так и в ДНК митохондрий. Большинство ферментов кодируются в хромосомах, остальные — митохондриальной ДНК. (В клетках человека митохондриальная ДНК представляет собой двуспиральную кольцевую молекулу из нескольких тысяч пар нуклеотидов.)
Белки, закодированные в хромосомах, образуются на цитоплазматических рибосомах, а затем транспортируются из цитоплазмы в митохондрии. Те белки, которые закодированы в митохондриальной ДНК, синтезируются на рибосомах самих митохондрий. Поскольку одни митохондриальные ферменты кодируются в ядре, а другие — в митохондриях, генетические нарушения органелл могут быть связаны как с ядерной, так и с митохондриальной ДНК. Характер наследования этих ДНК разный. Генетическая информация, закодированная в ядре, наследуется по законам Менделя.
В этом случае каждый признак определяется по крайней мере двумя генами, расположенными по одному на гомологичных хромосомах. Каждая гамета (сперматозоид или яйцеклетка) содержит лишь одну из пары гомологичных хромосом. Поэтому ребенок не обязательно унаследует какой-либо конкретный признак; в следующем поколении проявление этого признака подчиняется сложному распределению и одни дети наследуют его, а другие — нет (такое явление называется расщеплением признака). Зигота (т. е. оплодотворенная яйцеклетка) содержит по одному набору хромосом от каждого родителя. И если известно, доминантен признак или рецессивно, то можно довольно точно предсказать вероятность его проявления в потомстве.
Итак, признак, наследуемый по Менделю, дитя получает либо от матери, либо от отца. Признаки, определяемые митохондриальными генами, передаются совершенно иным образом. В зиготе практически все митохондрии поступают от материнского организма, потому что в сперматозоиде мало цитоплазмы, а значит, очень немного цитоплазматических органелл вносится в яйцеклетку при оплодотворении. Эггер и Уилсон проследили появление синдрома так называемой митохондриальной цитопатии в ряду поколений у 30 семей; в каждой семье нарушение выявлялось по крайней мере в двух поколениях. При митохондриальной цитопатии изменяется форма митохондрий и нарушается структура целого ряда митохондриальных ферментов. У больных вес тела ниже нормы, наблюдается мышечная слабость, кроме того, ненормально функционируют некоторые органы.
Из 30 семей в 27 заболевание передавалось исключительно по материнской линии: 51 мать и лишь 3 отца передали болезнь своим детям. Из 130 потомков больных с диагностированной митохондриальной цитопатией симптомы заболевания были обнаружены у 89, а это значительно больше, чем следовало бы ожидать при менделевском расщеплении. По мнению Эггера и Уилсона, митохондриальная цитопатия передается через ДНК митохондрий. Для того чтобы объяснить, каким образом в некоторых случаях заболевание передавалось по отцовской линии, ученые предположили, что митохондриальный ген может случайно попасть в ядерный геном. Встроившись в хромосому, ген будет наследоваться по законам Менделя.
