Mitokondriaalse DNA (mtDNA) rekombinatsioon

Geneetiline rekombineerumine on kahe DNA molekuli geneetilise informatsiooni vahetus, mille tulemusena moodustub alleelide uus kombinatsioon. Mitokondriaalse DNA (mtDNA) rekombinatsioonis vahetavad informatsiooni mitokondri DNA molekulid. Geneetiline rekombinatsioon on mitokondriaalse DNA varieeruvuse allikaks taimedes, seentes ja protistides. Homoloogiline rekombinatsioon on universaalne protsess (levinud nii inimeste kui ka bakteriviiruste seas), mis on oluline kaheahelalise DNA ahela parandustes. Evolutsiooniliselt on homoloogilise rekombineerumise sageduse madalal tasemel hoidmine vajalik mtDNA kaitseks invasiivsete isekate elementide eest. Rekombinatsiooni mtDNA-s on dokumenteeritud juba rohkem kui 40 aastat tagasi, kuid selle aluseks olev molekulaarne mehhanism on seni jäänud mõistatuseks.

Rekombineerumise esinemise sagedust suurendavad tegurid

Rangelt reeglitele vastav rekombineerumise rada eukarüootses nukleiidis ja bakterites kaasab endaga hulgaliselt proteiine. Kõige olulisemad on eksonukleaasid, mis töötlevad kaheahelalise DNA otsi (dsDNA); proteiinid, mis seovad üheahelalist DNA-d (SSBs single-strand binding protein üheahelaline proteiin, mille ülesandeks on lahtisi DNA otsi siduda); Rad52-tüüpi rekombineerumise vahendajad ning Rad51/RecA-tüüpi ensüümid (spetsiifilise ülesandega valgud), mis soodustavad geneetilist rekombineerumist. Nende hulgast on senimaani mitokondris ainult SSB selgelt tuvastatud. Mitokondriaalne SSB on prokarüootset päritolu ning esineb nii pärmis kui inimeses homotetrameerses vormis, milles proteiin koosneb neljast indentsest osast, mis on omavahel seotud.

Tõendid viitavad, et vananemine tõstab mtDNA rekombineerumise sagedust, koos mtDNA deletsioonide ja ümberpaigutustega. Mitokondriaalse DNA mutatsioonide kuhjumine arvatakse soodustavat vananemist. Mitokondriaalsel DNA-l on palju suurem mutatsioonide esinemise sagedus kui DNA-l, mis asub rakutuumas. Hapniku sisaldavad keemiliselt reaktsioonialtid molekulide pidevad rünnakud mitokondri sisemembraani läheduses ja mtDNA replikatsiooni mehhanismi ehk repliosoomi omadust põhjustada vigu peetakse suuresti vastutavaks mtDNA suure mutatsioonide esinemise sageduse eest. Noortes rakkudes hoitakse mtDNA rekombineerumist väga madalal tasemel, et hoida ära harva tekkivat DSB-s (Double Strand Break). Vananenud rakkudes mtDNA rekombineerumise sagedus tõuseb oksüdatiivse stressi ja suurenenud mtDNA kahjustuste tõttu. Paratamatult võib see tõsta ekslikku rekombineerumist, mis viib parandamatu kustutatud ja ümber korraldatud mtDNA kogunemiseni.

On esitatud ka muid põhjuseid, mis mõjutavad mtDNA rekombineerumise sagedust erinevates raku tüüpides ja organismides, näiteks nukleiidide formeering, mitokondri dünaamika, mtDNA sisu ja mitokondriaalne tihedus.

mtDNA rekombineerumine organismis

mtDNA rekombineerumine pärmis

Mitokondriaalse DNA ülekanne mudelorganismis pagaripärmis (Saccharomyces cerevisiae) on üldiselt mõlemalt vanemalt pärinud mtDNA kandja. Kui kahest haploidsest gameedist, mis kannavad mtDNA-d, moodustub diploidne sügoot, siis vanemate mtDNA seguneb ja kantakse üle juhuslikult järglastele. See eripära on osutunud võimsaks tööriistaks, mille abil dokumenteerida varajasi tõendeid mtDNA rekombineerumisest. Ristates haploidseid tüvesid, mis kannavad kustutatud tüüpe erinevate vormidega aktiivsete tiheduse või piirangutega mitokondriaalsest genoomist, leiti järglaste mtDNA-lt omadusi mõlemalt vanemalt. Viimane viitab rekombineerumise esinemisele. Otsene geneetiline tõend mtDNA rekombinatsiooni kohta muutus demonstreeritavaks, kui antibootikumidele resistentsed geneetilised markerid mtDNA-l olid kättesaadavad. Sügootide kolooniate, mis olid saadud ristates klooramfenikooli ja erütromütsiini resistentseid markereid sisaldavat mtDNA-d, analüüsimine näitas stabiilset ülekannet nii vanema kui ka rekombinantses genotüübis. Üldiselt on rekombinantide sagedus kahe sidumata markeri vahel pärmi mtDNA-s suisa 20–25%. See viitab ulatuslikule sidumisele ja rekombineerumisele vanemate mitokondriaalses DNA-s sügoodi moodustumise ajal. Pärmi mtDNA rekombineerumist toetas tugevalt ka tähelepanek, et geeniväliselt lisatud DNA-d sai integreerida mitokondriaalsesse genoomi pärast selle pommitamist mikrokehadega (microprojectile bombardment). Seda protseduuri kasutatakse tavaliselt mitokondriaalseks muundamiseks.

mtDNA rekombineerumine ja inimene

Kogunevad tõendid viitavad sellele, et mtDNA rekombineerumine ei esine ainult traditsioonilistes uurimisobjektides nagu pärm ja madalates loomades, kellel on kahelt vanemalt päritud omadused, aga ka seentes ja loomades, kellel on ühelt vanemalt päritud omadused, ja isegi spetsiifilistes inimkudedes nagu süda ja aju. Kuigi vaidlused kestavad, viitab suurenev tõendite hulk sellele, et mtDNA rekombineerumine on tunduvalt enam levinud, kui varem arvatud. Inimese mitokondriaalne DNA on 16,5 kb suurune, ringjas genoom, mis on vajalik mitokondri funktsioonide hoolduseks ning esineb mitme koopiana enamikus rakutüüpides. mtDNA on kasulik inimese päritolu piiritlemiseks, sest mtDNA-l on suur järjestuse lahknemine ning pärandumine ema liini pidi. Inimese kustutatud mitokondriaalse DNA analüüs on näidanud sagedast otseste korduste esinemist, mis piiravad deletsioonipunktide ääri. See vihjab rekombinantsete sündmuste osalust. Organismi vananemisega kaasnevad mitokondriaalse DNA deletsiooni-, rekombinatsiooni- ja mutatsiooniprotsessid võivad põhjustada mitokondriaalseid haigusi.

mtDNA rekombineerumise mõistmise kasud teaduses

Hiljutised uuringud biokeemias viitavad sellele, et rekombinatsioon on asendamatu osa mtDNA replikatsiooni- ja parandusmehhanismidest ning et enamikul loomgenoomidel on olemas vajalikud ensüümid mtDNA rekombineerumiseks. Kui range emapoolse mtDNA edastamine on ohustatud, saab luua rekombinanatsed haplotüüpe ja neid parandada. Mitokondriaalse DNA rekombineerumise täpne levik on loomadel kindlalt teadmata, kuid selle olemasolul võivad olla tähtsad tagajärjed lähedalt sugulusel olevate taksonite fülogeneetilistes uuringutes ja inimese mdDNA-ga seotud haigustes.

Kuigi rekombineeruvate genoomide pärandumise tõenäosus on teadmata, on nii emas kui ka isas inimese mtDNA geneetiline ülekanne ja rekombinatsiooni "kuumade punktide" tuvastamine tähtsad. Need teadmised aitavad inimese evolutsiooni, mtDNA replikatsiooni ja paranduste, düsfunktsionaalsete genoomide genereerimise ja paljundamise mitokondriaalsete haiguste uuringutes.

Mitokondriaalne DNA (mtDNA)

Mitokondriaalne DNA (mtDNA) on mitokondrites asuv DNA (enamik eukarüootse raku DNAst paikneb rakutuumas). Mitokondrid on eukarüootse raku organellid, milles konverteeritakse tsitraaditsükli reaktsioonide kaudu toidus sisalduv keemiliste sidemete energia rakkudele omastatavasse vormi: adenosiintrifosfaat (ATP). mtDNA oli esimene märkimisväärsem sekveneeritud osa inimese genoomist ning seda võib vaadelda kui väikseimat kromosoomi. Suuremal osal liikidest (kaasa arvatud inimesel) pärandub mtDNA ainult emaliini pidi. Mitokondritest pärit DNA järjestus on kindlaks määratud paljudel (kaasa arvatud ka mõnedel väljasurnud) liikidel ning nende järjestuste võrdlemine on fülogeneetika alustalaks. Järjestuste analüüs võimaldab teadlastel hinnata liikidevahelisi evolutsioonilisi kaugusi ja samas lubab ka uurida populatsioonide sugulust, mistõttu on muutunud tähtsaks ka antropoloogias ja bioloogias.

Inimese mtDNA

Elektronmikroskoopia muudab mtDNA nähtavaks diskreetsete kolletena. Joone pikkus: 200 nm. (A) Tsütoplasmaatiline osa pärast immuunkullaga töötlemist; kulla osakesed markeerivad mtDNA asukohta mitokondri membraani lähedal. (B) Vaade tsütoplasmast pärast CSK puhvriga ekstraheerimist ja anti-DNA märgistamist immuunkullaga; mtDNA (asukohta näitavad kullaosakesed) puhvris ei ekstraheeru. Iborra et al., 2004.

Ajalugu

mtDNA avastasid Margit M. K. Nass ja Sylvan Nass 1960. aastatel elektronmikroskoopia abil ning Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy ja Gottfried Schatz kõrgelt puhastatud mitokondrite fraktsioonidega biokeemilisi analüüse tehes.

Replikatsioon

mtDNA replikatsiooni viib läbi DNA polümeraas gamma, mis koosneb 140 kDa katalüütilise aktiivsusega alamühikust (kodeerib POLG geen) ja 55 kDa abistavast alamühikust (kodeerib POLG2 geen). Embrüogeneesi ajal on mtDNA replikatsioon alates sügoodi moodustumisest kuni kinnitumata embrüo staadiumini rangelt maha reguleeritud.

Blastotsüsti staadiumis on mtDNA replikatsiooni aktiveerumine iseloomulik trofoblastidele, trofektodermist sissepoole jäävates rakkudes käivitub mtDNA replikatsioon alles siis, kui rakud saavad signaali diferentseeruda spetsiifilisteks rakutüüpideks.

Päritolu

mtDNA ja tuuma DNA arvatakse olevat erineva evolutsioonilise päritoluga. Sümbiogeneesi teooria kohaselt on mtDNA pärit prokarüoodilt, kelle eukarüoodi varajane eellane fagotsüteeris. Hinnanguliselt on igas mitokondris umbes 2–10 mtDNA koopiat. Suuremat osa mitokondris asuvatest valkudest, mis kaasaegsete imetajate rakkudes esinevad (ligikaudu 1500 erinevat tüüpi), kodeerib rakutuuma DNA, kuid mõned neist (kui mitte enamik) arvatakse olevat bakteriaalse päritoluga, mis evolutsiooni käigus on tuuma ümber kolinud.

Mitokondrite pärandumine

Enamikus hulkraksetest organismidest on mtDNA pärit emasorganismidelt. Seda kontrollivate mehhanismide hulgas on lihtne lahjendamine (munarakus on 100 000 – 1 000 000 mtDNA molekuli, spermis kõigest 100–1000 koopiat), spermide mtDNA degradatsioon viljastatud munarakus ning mõnedes organismides ka spermide mtDNA sügooti sisenemise ebaõnnestumine.

Emaliini kaudu pärandumine

Sugulise sigimise puhul päritakse mtDNA tavaliselt ainult emalt. Pärast viljastumist hävitab imetajate munarakk spermide mitokondrid. Lisaks sellele paiknevad mitokondrid tavaliselt spermi sabaosas, mida kasutatakse liikumapaneva jõu tekitamiseks ning tihtipeale ei jõua spermi saba viljastamisel munarakku. Aastal 1999 näidati, et spermide mitokondrid on märgistatud ubikvitiiniga, mis määrab nad arenevas embrüos hukule. Mõned in vitro viljastamise tehnikad, eriti just spermi süstimine ootsüüti, võivad aga seda süsteemi häirida.

Tänu sellele, et mtDNA on matrilineaarne (alternatiivselt uuritakse ka Y-kromosoomi DNAd, mis annab infot patrilineaarsuse kohta), on teadlased võimelised pärandumisliine jälitama ka kaugesse minevikku. Inimesel saavutatakse see (sarnaselt genealoogilise testiga) mtDNA hüpervarieeruvate kontrollregioonide (HVR1 ja HVR2) sekveneerimisega.

HVR1 moodustavad umbes 440 aluspaari, mille järjestus määratakse kindlaks ning võrreldakse seejärel teistelt isikutelt kogutud HVR1 järjestustega. Sagedamini kasutatakse võrdluseks kontrollitud Cambridge'i referentsjärjestust (Cambridge Reference Sequence). Vilà et alia on avaldanud uuringuid, milles näidatakse matrilineaarselt, et koerad põlvnevad hundist. Mitokondriaalse Eeva mõiste põhineb sama tüüpi analüüsil ja üritab avastada inimkonna päritolu, kasutades mineviku rekonstrueerimiseks mtDNA infot.

Kuna mtDNA ei ole tugevalt konserveerunud ja omab kõrget mutatsioonikiirust, sobib see organismidevahelise evolutsioonilise suguluse (fülogeneetika) uurimiseks. Tänu sellele on bioloogid võimelised kindlaks määrama ja võrdlema mtDNA järjestusi erinevate liikide seas ning võrdlusi kasutades koostama uuritud liigi kohta evolutsioonilise puu. mtDNA matrilineaarsus võib osutuda isiku emaliini kohta genealoogiliste uuringute tegemisel väga kasulikuks tööriistaks.

Isaliini kaudu pärandumine

On näidatud, et mõnedel liikidel võivad mitokondrid päranduda ka isaliini pidi, näiteks rannakarbil. Lisaks on patrilineaarselt päritud mitokondreid avastatud putukatel, nagu äädikakärbes, mesilane ja rändrohutirts.

Tõendid kinnitavad, et harvadel juhtudel võivad ka imetajate mitokondrid päranduda isaliini pidi, täpsemalt on juhtumid dokumenteeritud hiirte puhul. Lisaks on seda leitud veel lammastel, kloonitud kariloomadel ning on avastatud ka ühel meessoost isikul.

Struktuur

Enamikus hulkraksetes organismides on mtDNA ringikujuline, kaheahelaline DNA molekul. Inimeste ja tõenäoliselt ka teiste loomade rakkudes on tavaliselt ligikaudu 100 – 10 000 eraldiseisvat mtDNA koopiat (seemne- ja munarakk on erandid). Imetajatel kuulub iga kaheahelalise mtDNA molekuli koosseisu 15 000 – 17 000 aluspaari. mtDNA molekuli kaks ahelat on üksteisest eristatavad nende nukleotiidse koostise poolest, kus guaniinirikast ahelat nimetatakse raskeks ahelaks ja tsütosiinirikast kergeks ahelaks. Raskel ahelal paikneb 28, kergel ahelal 9 geeni, kokku 37. Nendest 37 geenist 13 kodeerivad valke, 22 kodeerivad transportRNAsid (tRNA) ning 2 kodeerivad ribosomaalse RNA suurt ja väikest alamühikut. Selline muster esineb suuremas osas loomadest, kuid on ka juhtumeid, kus üks või rohkem 37 geenist on puudu ja mtDNA molekuli suuruse vahemik on laiem. Seente ja taimede seas esineb veelgi suurem mtDNA geenide varieeruvus, kuid eukarüootide seas paistab olevat kindel põhikomplekt mtDNA geene, mis neis kõigis esineb (välja arvatud need, kellel mitokondrid puuduvad). Mõnedel taimeliikidel esinevad hiiglaslikud mtDNA molekulid (2,5 miljonit aluspaari ühe molekuli kohta), kuid üllatavalt kodeerivad need suured mtDNA molekulid ikkagi sama palju ja sama tüüpi geene kui nende taimeliikide sugulased, kelle mitokondrite genoomid on palju väiksemad. Kurgi mitokondrite genoom koosneb kolmest täielikult või osaliselt autonoomsest tsirkulaarsest kromosoomist (pikkused: 1556, 84 ja 45 kiloaluspaari).

Geenid

NB! mtDNA geenide koosseis varieerub liigiti. Antud lõigus on toodud info inimese mitokondriaalse DNA kohta.

Elektrontransportahel

Mitokondri genoom sisaldab 13-t valku kodeerivat geeni. Nendest paljude geenide produktid kuuluvad elektrontransportahelasse:

Kategooria	Geenid
NADH dehüdrogenaas (kompleks I)	MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6
Koensüüm Q - tsütokroom c reduktaas/Tsütokroom b (kompleks III)	MT-CYB
tsütokroom c oksüdaas (kompleks IV)	MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3
ATP süntaas	MT-ATP6, MT-ATP8

rRNA

Mitokondri rRNAsid kodeerivad geenid MT-RNR1 (12S) ja MT-RNR2 (16S).

tRNA

tRNAsid kodeerivad järgmised geenid:

Aminohape	3-täheline	1-täheline	MT DNA
Alaniin	Ala	A	MT-TA
Arginiin	Arg	R	MT-TR
Asparagiin	Asn	N	MT-TN
Asparagiinhape	Asp	D	MT-TD
Tsüsteiin	Cys	C	MT-TC
Glutamiinhape	Glu	E	MT-TE
Glutamiin	Gln	Q	MT-TQ
Glütsiin	Gly	G	MT-TG
Histidiin	His	H	MT-TH
Isoleutsiin	Ile	I	MT-TI
Leutsiin	Leu	L	MT-TL1, MT-TL2
Lüsiin	Lys	K	MT-TK
Metioniin	Met	M	MT-TM
Fenüülalaniin	Phe	F	MT-TF
Proliin	Pro	P	MT-TP
Seriin	Ser	S	MT-TS1, MT-TS2
Treoniin	Thr	T	MT-TT
Trüptofaan	Trp	W	MT-TW
Türosiin	Tyr	Y	MT-TY
Valiin	Val	V	MT-TV

Mutatsioonid

mtDNA roll inimeste haigustes

Tundlikkus

mtDNA on eriti tundlik (just füüsilise läheduse tõttu) hingamisahelas tekkivate reaktiivsete hapnikuühendite suhtes. Kuigi mtDNA on valkude abil kokku pakitud ja omab ka märkimisväärset DNA reparatsioonivõimet, on tema kaitsemehhanismid siiski vähem efektiivsed kui need, mis toimetavad tuuma DNAga, ning arvatavasti annavad seetõttu oma panuse oksüdatiivsete kahjustuste tundlikkusele. mtDNA mutatsioonide tulemuseks võivad olla muutused mõnda valku kodeerivas alas, mis võib avaldada mõju organismi metabolismile ja/või kohasusele.

Geneetilised haigused

mtDNAs toimuvad mutatsioonid võivad põhjustada mitut haigust, näiteks treeningutalumatus või Kearnsi-Sayre’i sündroom (KSS), mille tagajärjel kaotab inimene täielikult südamelihaste, silmade ja skeletilihaste liigutamise funktsiooni. On ka tõendeid, et mtDNAs toimuvad mutatsioonid mõjutavad suuresti vananemisprotsessi ja kujundavad vanusega seotud patoloogilisi seisundeid.

Kasutamine haiguste diagnoosis

Viimasel ajal kasutatakse negatiivse eesnäärme biopsiaga patsientidel eesnäärmevähi avastamiseks mutatsiooni mtDNAs.

Kasutamine identifitseerimises

Inimese mitokondri genoom koosneb 16 569-st aluspaarist, mis esindab kõigest murdosa kogu raku DNAst. Erinevalt tuuma DNAst, mis päritakse mõlemalt vanemalt ja mis rekombinatsiooni käigus ümber korraldatakse, pärandub järglasele tavaliselt samasugune mtDNA nagu vanemal. Kuigi ka mtDNA rekombineerub, teeb ta seda iseenda koopiatega ühe mitokondri piires. Tänu sellele ja faktile, et mtDNA mutatsioonikiirus on suurem kui tuuma DNA-l, on mtDNA võimas töövahend, millega saab uurida põlvnemist naisliine pidi (matrilineaarsus). Seda töövahendit kasutades on teadlastel õnnestunud kindlaks määrata paljude liikide esivanemad sadu põlvkondi tagasi.

Inimese mtDNAd võib kasutada ka isikute tuvastamiseks. Kohtumeditsiini laborid kasutavad aeg-ajalt mtDNAde võrdlemist, et tuvastada inimeste jäänuseid, eriti just vanemate ja tundmatute skelettide tuvastamiseks. Samas pole mtDNA spetsiifiline ainult ühele indiviidile (erinevalt tuuma DNAst) ning seetõttu kombineeritakse seda teiste asitõenditega (antroploogilised asitõendid, pealiskaudsed asitõendid ja nende sarnased), et saavutada tuvastamine. mtDNAd kasutatakse ka tuvastamaks võimalikke vastavusi kadunud isikute ja tuvastamata inimjäänuste vahel. Paljud uurijad usuvad, et mtDNA sobib vanade luujäänuste tuvastamiseks paremini kui tuuma DNA, sest mtDNA molekule on rohkem koopiaid raku kohta ning võimalus, et saadakse kätte kasulik proov, on suurem. Lisaks on veel positiivne ka see, et elava sugulasega võrreldes on võimalik otsitav proov tuvastada ka siis, kui proovi omaniku ja praegu elava sugulase vahele jääb mitu põlvkonda.

Ameerika lindprii Jesse Jamesi maised jäänused identifitseeriti, kasutades võrdlust luudest eraldatud mtDNA ja tema õe lapselapse poja vahel. Sarnaselt tehti kindlaks Venemaa viimase tsarinna Alexandra Feodorovna (Alix of Hesse) ja tema laste isikud mtDNA võrdlustele põhinedes ning leiti sarnasus Edinburghi krahvi prints Philipiga, kelle vanaema oli Victoria of Hesse, Alexandra õde. Nii tuvastati ka keiser Nikolai II maised jäänused, kui tema mtDNAd võrreldi James Carnegie, Fife’i kolmanda krahviga, kelle emapoolne vanavanaema Taani Aleksandra (kuninganna Alexandra) oli Nikolai II ema (tsaarinna Maria Feodorovna) õde.

Väike efektiivse populatsiooni suurus ja suur mutatsioonikiirus (loomades) muudab mtDNA väga kasulikuks indiviidide või gruppide geneetilise suguluse hindamisel liigi piires. Peale selle sobib see hästi ka liikidevahelise suguluse määramiseks, eeldusel, et liigid ei ole liiga kauges suguluses. Et seda saavutada, määravad bioloogid kindlaks mtDNA järjestuse ning seejärel võrdlevad seda mtDNA järjestusega teiselt liigilt või indiviidilt. Võrdlusest saadavaid tulemusi kasutatakse suhete võrgustiku loomiseks, mille alusel hinnatakse evolutsioonilisi suhteid liikide vahel, kellelt proovid koguti.

Sellel lähenemisel on oma piirangud, mis tulenevad mtDNA järjestuse muutuste kiirusest. Loomade puhul on kõrge mutatsioonikiirus kasulik just sama liigi esindajate või lähedases suguluses olevate liikide võrdlemiseks, kelle hulgas on muutuste arvu üsna lihtne kokku lugeda. Kui aga võrrelda erinevamaid liike, siis muutub muutuste arv väga suureks, kuni täpset hinnangut on juba praktiliselt võimatu anda.

Parkinsoni tõbi

Parkinsoni tõbi (ladina keeles morbus Parkinson, lühend PD) on tundmatu tekkepõhjusega parkinsonism.

Parkinsoni tõbi on degeneratiivne kesknärvisüsteemi haigus, mis sageli kahjustab liigutus- ja kõnevõimet. Parkinsoni tõve iseloomulikeks tunnusteks on lihaste kangestus, värinad, liigutuste aeglustumine (bradükineesia) ja raskeimatel juhtudel liigutamisvõime kaotus (akineesia). Teisesed sümptomid võivad sisaldada kognitiivseid häireid ja keelelisi probleeme.

Parkinsoni tõbi on krooniline ja progresseeruv.

Sümptomid

Parkinsoni tõbi mõjutab liigutusvõimet (motoorsed sümptomid). Teisteks sümptomiteks on tüüpiliselt meeleolu, käitumise, mõtlemise ja tajumise muutused (mittemotoorsed sümptomid). Patsiendi individuaalsed sümptomid võivad olla üpris erinevad ja haiguse progresseerumiskiirus on ka erinev.

Motoorsed sümptomid

• Värinad – tüüpiliselt 4–7 Hz sagedusega. Suurimad, kui jäse on puhkeseisundis, ja vähenevad tahtlike liigutuste ajal. Enamasti on värin ühesuunaline. See on kõige märgatavam ja tuntum sümptom, kuigi u 30% patsientidest tuntavat värinat peaaegu välja ei kujune.
• Kangestus – lihaste jäikus, suurenenud lihastoonus.
• Bradükineesia/akineesia.
• Kõnnaku- ja rühihäired.
• Jalgade järelvedamine kõndides – sammud on väikesed, jalad tõusevad vaevalt maast üles, tekitades kuuldavat müra. Juba väikesed takistused põhjustavad komistamist.
• Vähenenud käe liikumine kõndimisel.
• Jäik pööramine – pöördumiseks läheb vaja palju väikseid samme.
• Ettepoole kõverdatud rüht.
• Kiirustamine – kombinatsioon ettepoole kõverdatusest, tasakaalutusest ja lühikestest sammudest tingib järjest kiireneva sammutempo, mis sageli lõpeb kukkumisega.
• Suutmatus kõndimist alustada.
• Düstoonia (20% juhtudest) – ebanormaalsed, kestvad, valulikud lihastõmblused, tavaliselt mõjutavad jalga ja pahkluud, aga mõnikord ka muid skeletilihaseid.
• Kõne- ja neelamisraskused.
• Hüpofoonia – kõne on pehme ja monotoonne. Mõned PD-ga inimesed ütlevad, et nende keel on "raske".
• Kiirustav kõne.
• Ilastamine – tingitud nõrgast harvast neelamisest ja ettepoole kaldu rühist.
• Suutmatus neelata. Võib põhjustada lämbumist, kopsupõletikku ja lõpuks surma.
• Väsimus (kuni 50% juhtudel);
• Maskisarnane nägu.
• Raskused voodis teise külje keeramisel või istuliasendist tõusmisel.
• Väike, kokkulitsutud käekiri.
• Vähenenud liigutuste täpsus ja koordinatsioon.
• Abistavate liigutuste kadumine – näiteks väheneb käte liikumine kõndimisel, samuti vähenevad spontaansed liigutused.

Mittemotoorsed sümptomid

• Meeleoluhäired
• Tajumishäired
• Unehäired
• Iseseisvad häired – õline nahk, uriinipidamatus, vajadus öösel urineerimiseks üles tõusta, kõhukinnisus, vähenenud soolestiku liikuvus
• Seksuaalhäired

Prognoos

PD ei ole iseenesest eluohtlik haigus, aga enamasti muutub ta aja jooksul järjest raskemaks. PD-patsientide keskmine eluiga on lühem kui inimestel, kellel seda haigust pole, kuna PD võib põhjustada tüsistusi nagu lämbumine, kopsupõletik või eluohtlikud kukkumised. Sümptomite väljakujunemine võib aega võtta 20 aastat või rohkem. Mõnedel inimestel kujuneb haiguspilt välja kiiremini. Seni ei osata haiguse individuaalset kulgu prognoosida. Õige ravi korral on enamik inimesi pärast PD diagnoosimist veel palju aastaid töövõimelised.

Sageli kasutatakse PD sümptomite hindamiseks kas Hoehni ja Yahri skaalat või ühtlustatud Parkinsoni tõve hindeskaalat (UPDRS). Viimane on keerulisem ja sisaldab eraldi hinnanguid vaimse võimekuse, käitumise ja meeleolu, igapäevaste tegevuste ja liigutusvõime kohta. Mõlemad skaalad võimaldavad hinnata haiguse progresseerumist ja ravi tulemuslikkust. Samu skaalasid kasutatakse ka mõnede teiste haiguste juures.

Regulatoorsed T-rakud

Regulatoorsed T-lümfotsüüdid ehk regulatoorsed T-rakud ehk supressor-T-rakud (inglise regulatory T cells, T_reg cells) on paljude selgroogsete lümfisüsteemi (lümfoid(-immuun)süsteemi) rakud.

Esmased regulatoorsete T-rakkude populatsioonid küpsevad harkelundis. Nad liigitatakse T-lümfotsüütide hulka.

Ülesanded

Regulatoorsete T-rakkude molekulaartasandi funktsioonid on seni lõpuni uurimata. Arvatakse, et nad reguleerivad (püüavad piirata) krooniliste põletikega seotud haigusi, kuid nad piiravad ka eluterveid immuunvastuseid supresseerides kasvajatevastast immuunvastust.

Nende ülesandeks on immuunvastuse supresseerimine. Nad reguleerivad (harilikult vähemuse poole) plasmarakkude ja tsütotoksiliste T-rakkude ning autoreaktiivsete T-rakkude aktiivsust.

Nende talitluse häirumine, ülereageerimine või lakkamine aga võib indutseerida väärimmuunvastuse kujunemist ja seetõttu seostatakse neid ka autoimmuunhaiguste

 väljakujunemisega.

Regulatoorsed T-rakud ekspresseerivad dopamiiniretseptoreid ja sisaldavad dopamiini.

Liigitus

Regulatoorsete T-rakkude liigitus pole päris selge, kuid enamasti liigitatakse regulatoorsete T-rakkude hulka järgmised rakud:

• CD4⁺-CD25⁺-T-_reg-rakud,
• Tr1-rakud,
• CD8⁺-regulatoorsed rakud,
• T_h3 rakud ehk T_h3- tüüpi rakud (TH3-lümfotsüüdid) (need liigitatakse vahel ka T-abistajarakkude alaliikide hulka),
• looduslikud tappur-T-rakud (need liigitatakse vahel ka T-lümfotsüütide põhigruppide hulka).

Kliiniline meditsiin

Arvatakse, et regulatoorsed T-rakud osalevad mitmete autoimmuunhaiguste limiteerimisel nagu I tüüpi diabeet, astma ja põletikuline soolehaigus (IBD).

Regulatoorsed T-rakud on aktiivsed ka mitmete geneetiliste haiguste nagu sarkoidoos ja IPEX sündroom (IPEX − immunodysregulation polyendocrinopathy) põletikukolletes.

Pahaloomulistes kasvajates

Regulatoorsete T-rakkude populatsioonid on suurenenud mitmete pahaloomuliste kasvajate kolletes.

Ajaloolist

Regulatoorsete T-rakkude olemasolu oli pikka aega vaidlustatud.

• 1971 teatasid Richard K. Gershon ja Kondo, et on tuvastanud nn supressor-T-rakud.

HIV

HIV (lühend ingliskeelsest nimetusest Human immunodeficiency virus) ehk HI-viirus ehk inimese immuunpuudulikkuse viirus ehk inimese immuunsuspuudulikkuse viirus on viiruse liik.

HI-viirus
HI-viiruse ristlõike stiliseeritud kujutis
Taksonoomia
Riik	Viirused Virus
Selts	Määratlemata takson
Sugukond	Retroviridae
Alamsugukond	Orthoretrovirinae
Perekond	Lentiviirus Lentivirus
Liik	HI-viirus

Klassifikatsioon

Seni teatakse kaht liiki sarnase struktuuri ja tropismiga inimese immuunpuudulikkuse viirust:

• HIV-1 viirusetüüp, mis jaotatakse omakorda 4 gruppi: M (11 alatüüpi), N, O ja P;
• HIV-2 viirusetüüp.

HIV virion

• genoom üheahelaline (+)ssRNA (üheahelalise RNA viirus)
• RNA kannab 9 geeni (gag,pol ja env kannavad infot uute viiruseosakeste komplekteerimise kohta)
• pol-geen kodeerib HIV-1 ensüüme – pöördtranskriptaasi, integraasi ja proteaasi
• läbimõõduga 100–120 nm
• lipiidkihiga
• ekspresseerib pindmiselt viiruse glükoproteiine ja MHC I ja II klassi antigeene
• virioni sees paikneb nukleokapsiid (selles asuvad ka erinevad replikatsiooniensüümid).

HIV replikatsioon

HIV hakkab paljunema kui lipiidkesta valk glükoproteiin gp120 seob viiruseretseptori tulevase HIV-positiivse inimese CD4 molekuliga. HIV võib rakku siseneda ka HIV-anti-HIV-antikeha kompleksina Fc või komplemendi retseptorite vahendusel, otsesel seostumisel neuronite ja epiteelirakkudega või ka infitseeritud ja infitseerimata rakkude otsesel liitumisel.

Viiruse rakku sisenedes siseneb raku DNA-sse ka viiruse DNA ja kandub raku jagunemisel edasi. Viiruse DNA transkriptsioon võib käivituda peremeesorganismi rakkude aktiveerumisel, kas antigeenide, mitogeenide, tsütokiinide toimel. Viiruse DNA transkriptsioon võib käivituda ka teiste viiruste geeniproduktide toimel, nagu näiteks B-hepatiidi viirus, EBV, CMV jt.

Tropism

HI-viiruse märklauaks on lümfoid(-immuun)süsteemi olulised rakud ja ka närvisüsteemi rakud.

Langerhansi rakud võivad toimida HI-viirusega nakatumisel (sugulisel teel) reservuaarina ja esitleda HIV-antigeene CD4 retseptoritele transportimaks neid CD4+ lümfotsüütidesse.

HI-viirus nakatab kõiki CD4 ja kemokiini retseptoreid kandvaid rakke, nagu CD4+rakud, T-abistajarakud, makrofaagid (sh tüümuse makrofaagid), kesknärvisüsteemi gliiarakud, dendriitrakud.

Patogeensus ja patoanatoomia

 HI-viirusega nakatumine võib inimestel põhjustada HIV-infektsiooni.

HI-viirus nakatab inimesi valdavalt sugulisel teel (nii homo- kui ka heteroseksuaalsuhtes). Viiruse ülekanne toimub osade kehavedelike kaudu, nagu seemnevedelik, tupesekreet, rinnapiim, veri. Nakatumine võib toimuda ka emalt lootele platsenta kaudu. Narkomaanid kasutavad vahel endale uimastite süstimisel mittesteriilseid süstlaid – ka see on kaasa aidanud HI-viiruse laialdasele levikule.

Viirus levib ka meditsiiniliste instrumentide vahendusel.

HIV-positiivsetel võib viirus põhjustada omandatud immuunpuudulikkuse sündroomi (AIDS-i).

Tüümuses

 HIV-infektsiooniga lastel on radioloogiliste uuringutega tuvastatud tüümuse suurenemist ja mitmeid tüümuse lesioone.

Antikehad

Antikehad ehk immunoglobuliinid (ka immuunkehad, kaitsekehad, ladina keeles immunoglobulinum; lüh: Ig) on kehavedelikes lahustuvad väga erineva molekulmassi ja funktsioonidega essentsiaalsed molekulid, mis liigitatakse glükoproteiinide hulka ja mida toodavad selgroogsete loomade (sh inimese) immuunsüsteemi B-lümfotsüüdid. Immunoglobuliinidel on omadus ära tunda ja endaga siduda antigeene (milleks on normaalsel juhul organismile võõrad ained). Inimorganismis leidub vähemalt 10⁷, võib-olla kuni 10⁹ erineva äratundmis-spetsiifikaga antikehade tüüpi.

Immunoglobuliinide areng, morfoloogia, funktsioonid ja patoloogia erinevad nii liigiti kui ka indiviiditi. Immunoglobuliinide hulk ja süntees oleneb organismi vanusest, aga ka paljudest muudest teguritest.

Teatud immunoglobuliini toodavad ka mitmete pahaloomuliste kasvajate rakud.

Üldstruktuur

Kõigile antikehadele on omane sarnane üldstruktuur: nad koosnevad neljast disulfiidsildadega ühendatud valguahelast. Kaht suuremat ja omavahel identset ahelat nimetatakse rasketeks ehk H-ahelateks (ingl.k heavy chains), kaht väiksemat ning samuti omavahel identset ahelat nimetatakse kergeteks ehk L-ahelateks (inglise light chains). Raske ahel koosneb neljast eri geeniosade kodeeritud valgudomeenist, mida tähistatakse (N-otsast lugedes) V_H, C_H1, C_H2, C_H3. Neist V_H on väga muutliku ehitusega ja moodustab ühe osa antigeeni äratundvast tsentrist, ülejäänud kolm domeeni on eri antikehadel üsna sarnase ehitusega. C_H2, C_H3 ehitus erineb veidi eri antikehade isotüüpidel (vt antikehade tüübid). C_H2 domeenis paiknevad Fc retseptorite ja komplemendi-sidumissaidid (vt antikehade osa immuunvastuses), samuti kaks raskeid ahelaid koos hoidvat disulfiidsilda. C_H1 domeenis paikneb kerget ja rasket ahelat ühendav disulfiidsild. C_H1 ja C_H2 domeenide vahel paikneb kergesti liikuv nn hinge-regioon.

Kerge ahel koosneb kahest, V_L ja C_L domeenist. V_L on varieeruva ehitusega ja moodustab teise poole antigeeni äratundvast tsentrist, C_L on aga kindla ehitusega ja ühendatud disulfiidsillaga C_H1 domeeni külge.

Antikehade põhiklassid

Hoolimata üldisest sarnasusest saab antikehi ehituse alusel jagada mitmeks klassiks ja alamklassiks. Neid klasse nimetatakse isotüüpideks ja nende erinevused tulenevad vastavate raskete ahelate struktuuride erinevustest.

Madudel

Madudel on tuvastatud järgmised immunoglobuliinide klassid:

• immunoglobuliin D (IgD)
• immunoglobuliin M (IgM)
• immunoglobuliin Y (IgY) – (IgYa ja IgYb-)

Hobustel

Hobustel on tuvastatud immunoglobuliinide klassid ja alamklassid: IgA, IgE, IgM ja IgG – IgG2a, IgG2b, IgG2c, IgGI, IgG(T).

Hobuseid kasutatakse maomürgivastaste antiseerumite (töödeldud immunoglobuliinid) tootmisel, selleks immuniseeritakse (süstitakse) hobuseid erinevat liiki mürkmadude mürgiga ja seejärel eraldatakse neist immunoglobuliinid vastumürkide tarvis.

Inimese antikehade põhiklassid

Inimesel esinevad antikehade põhiklassid on:

• immunoglobuliin A (IgA)
• immunoglobuliin D (IgD)
• immunoglobuliin E (IgE)
• immunoglobuliin G (IgG)
• immunoglobuliin M (IgM)

Klassidesse kuuluvaid immunoglobuliine nimetatakse vastavalt IgA, IgD, IgE, IgG ja IgM tüüpi antikehadeks.

Neist koguseliselt kõige rohkem esineb tervel inimesel IgG-d. IgA esineb monomeeride või nn j-ahelate abil ühinenud dimeeride või trimeeridena. IgM esineb ainult pentameersena. IgE ja IgM eripäraks on ka hinge-regiooni puudumine. Eri antikehade isotüüpidel on veidi erinevad bioloogilised funktsioonid (vt antikehade osa immuunvastuses).

Antikehade tootmine ja geenid

Antikehade geenid kuuluvad suurde ja mitmekesisesse Ig superperekonda. Nad teevad organismi arengu käigus läbi mitmeid keerulisi ümberkorraldusi.

Immunoglobuliini geenid kahe kerge ahela jaoks (κ-ahel ja λ-ahel) asuvad inimesel vastavalt 2 ja 22 kromosoomil, geenid eri isotüüpide raskete ahelate jaoks aga 14 kromosoomil. Kerge ahela geen sisaldab (5'-otsast lugedes) umbes 100 erinevat V-domeenide järjestust (neile eelnevate signaalpeptiid-järjestustega), seejärel nn J-järjestused ja 1–6 C-domeeni järjestust. Raske ahela geenid sisaldavad samuti kõigepealt V-domeenide järjestusi (umbes 200 erinevat), seejärel üle 20 D-segmendi ('diversity-segment', kodeerib V-domeeni C-otsa), seejärel eri isotüüpide alamklasside C-domeenide järjestused.

B-lümfotsüütide arenemisel toimub esimese ümberkorraldusena raskete ahelate geenide ühe D-regiooni ja ühe J-regiooni ühinemine koos nende vahele jääva DNA deletsiooniga (väljalõikamisega). Seejärel kõrvaldatakse ülejäänud D-regioonid, misjärel toimub ühe V-regiooni liitmine ühinenud DJ-regioonile. Saadud geenis on nüüd valmis antikeha raske ahela N-ots ja sellele järgnevad intronitega lahutatud eri isotüüpide C-domeenide järjestused.

Geeni transkriptsiooni järel toimuva splaisingu tulemusena tekib mRNA, mis sisaldab ainult ühe isotüübi C-domeenide järjestusi.

Geenide ümberkorraldused kergete ahelate puhul on sarnased, ei toimu ainult D- ja J-regioonide ühinemist (kuna kergetes ahelates puuduvad D-regioonid). mRNA-de translatsiooni järel saadud kerged ja rasked ahelad ühendatakse omavahel teatud ensüümide abil disulfiidsildadega, glükosüleeritakse ja sekreteeritakse.

Patoloogia

Immunoglobuliinide taseme ja puuduliku sünteesiga seostatakse mitut immuunpuudulikkusega seotud haigust.

T-rakkude retseptorid

T-rakkude retseptorid (ingl T-cell receptors, TCR, ka TcR) on lümfoid(-immuun)süsteemiga loomadel T-rakkude membraanil paiknevad valkude kompleksid ja immuunretseptorid, mille ülesandeks on antigeenide äratundmine üksnes läbi organismiomaste MHC-molekulide ja immuunvastuse regulatsioon.

T-raku retseptori kompleksi illustratsioon - koos TCR-α ja TCR-β ahelaga, CD3 ja ζ-ahela molekuliga

T-rakkude koolitamine MHC-molekulide tunnistamiseks toimub tüümuses.

Nii näiteks tunnevad T-rakkude retseptorid ehk TCR-molekulid ära kehavõõraste antigeenide olemasolu viirusega nakatatud rakumembraanil koos raku enda peamise koesobivuskompleksi (inimestel HLA) antigeenidega.

TCR-molekulid aktiveeritakse biokeemiliste sündmuste toimel, mille vahendajateks on ensüümid, koretseptorid, spetsiaalsed molekulid ja aktiveeritud või vabastatud transkriptsioonifaktorid.

TCR-molekulide aktiveerimise tulemina võidakse suunata T-rakkude diferentseerumist T-abistajarakkudeks või tsütotoksilisteks T-rakkudeks ja paljunemist ning geeniekspressiooni muutmist.

T-rakkude retseptorid koosnevad kahest erinevast valguahelast kas α ja β või γ/δ ahelatest, mida kodeerivad vastavad geenid, mõlemad αβ ja γδ T-rakud on võimelised tsütokiine sünteesima ja mikroorganismidele ning vähirakkudele toksilisi aineid eritama.

Lisaks TCR pinnaretseptoritele espresseerivad tümotsüüdid ka mitmeid teisi antigeene, näiteks CD-sid.

T-rakkude retseptorid erinevad immunoglobuliinidest.

T-rakkude kurnatus

• T-rakkude kurnatus ehk T-rakkude jõuetus (T-cell exhaustion) on toimivate T-rakkudega selgroogsetel loomadel esineda võiv kehasisene seisund, mida iseloomustab T-rakkude talitluse järkjärguline ja pidev kadumine, nende võimetus vastata signaalidele ja ka nende rakkude füüsiline hävimine.
  

T-rakkude kurnatust on täheldatud kroonilise lümfotsüütkoriomeningiidi korral ja seisund tekib antikehade resistentsuse seisundi (antigen-persistence) tõttu, mida aga esineb mitmete krooniliste nakkustekitatajate leviku korral inimkehas, nagu B-hepatiidi viirus, C-hepatiidi viirus, HI-viiruse ja ka kasvajate 'väljakasvul' (teiste elundite hõivel).

T-rakkude kurnatus oleneb paljudest teguritest, nende hulgas antigeense aktivatsiooni kestvus ja ulatus, CD4 T-rakkude abi, stimuleerivate ja supresseerivate tsütokiinide olemasolu ja ka aktiveerivate ja inhibeerivate retseptorite olemasolu.

Võimetus vastata ja toimida ei piirdu ainult CD8 T-rakkude vastustega ka CD4 T-rakkudel esineb mitmete infektsioonide korral talitlushäireid. Kurnatud rakkude vastuseid on dokumenteeritud nakatumiste korral järgmiste allikatega: polyomaviruses, lümfotsüütkoriomeningiit, adenoviirused, Friend leukaemia virus, hiire hepatiidi viirus, HI-viirus, B- ja C-hepatiidi viirus.

Talitlushäirega seostatakse nende rakkude võimetust eritada IL-2, TNFα ja IFNγ.

T-rakkude hääbumisel on oma roll IL-10 tootmisel.

Malaariauuringutes on uuritud PD-1 mehhanismi osalust (valk, mis reguleerib T-rakkude aktivatsiooni (immunoloogiline sünaps) ja võimalik, et toodud valk osaleb T-rakkude "vaigistamisel" – uuringud näitasid CD4+ T-rakkude (tüümusest küpsenud T_h rakud) jõuetust ja suremist ning CD8+ T-rakkude arvukuse vähenemist ja raku programmeeritud surma esilekutsumist.

Antigeen

Antigeen (ladina antigenes; lüh Ag) on selgroogse organismi tunginud võõraine (enamasti valk), mis seotakse spetsiifiliselt antikehaga või T-rakkude retseptoriga. Antigeenidena võivad toimida praktiliselt kõik bioloogilised makromolekulid: polüpeptiidid, polüsahhariidid, nukleiinhapped jt.

Antigeen on aine, mis stimuleerib antikehade teket; antigeeni, mis kutsub esile immuunvastuse, nimetatakse immunogeeniks.

Antigeen on üldiselt potentsiaalselt organismi kahjustav kehavõõras aine, mille sissepääs organismi põhjustab spetsiifiliste, nende vastu suunatud antikehade tekke, samuti lümfotsüütide aktiivseks muutumise.

Antigeenidena võivad toimida ka maomürgis sisalduvad molekulid, kui need kutsuvad maohammustuse järgselt nii madudel endil (maolt maole) kui ka teistel hammustada saanud loomadel esile antikehade tekke.

Antigeenid võivad organismi tungida naha, limaskestade, hingamis- ja seedetrakti kaudu.

Antigeenide loend (osaline)

• A-antigeen - erütrotsüütide (jt rakkude) pinnal olev A-vererühma antigeen
• Austraalia antigeen - B-hepatiidi pinnaantigeen;
• B-antigeen - erütrotsüütide (jt rakkude) pinnal olev B-vererühma antigeen;
• HL-antigeen (lüh HLA) - rakkude pinnal olev valk, mille alusel T-rakud tunnistavad oma organismi rakke

Lümfijuha

Lümfijuhadeks nimetatakse paljude selgroogsete loomade lümfisüsteemi (lümfoid(-immuun)süsteemi) kuuluvaid teatud jämedaimaid lümfisooni, mis moodustuvad väiksemate lümfisoonte liitumisel, milles liigub lümf ja mis suubuvad venoossesse vereringesse.

Lümfijuhade areng, anatoomia, morfoloogia, histoloogia ja patoloogia võivad erineda nii liigiti kui ka indiviiditi.

Imetajatel

Inimestel

Inimestel koonduvad lümfisooned kahte suurde lümfijuhasse:

• parem lümfijuha (ductus lymphaticus dexter),
• rinnajuha (ductus thoracicus).