DZIEDZICZENIE MITOCHONDRIALNE: ZASTOSOWANIA, PATOLOGIE, PROFILAKTYKA - BIOLOGIA - 2026

Mitochondrialnego dziedziczenie jest przekazywanie przez mitochondrialnego DNA organelli zwanych „mitochondriami” i występuje z rodzica na swoich potomków. Zwykle dziedziczenie zachodzi tylko z mitochondriów matczynych, w sposób „matrylinearny”.

Shiyu Luo i współpracownicy opublikowali jednak w styczniu 2019 r. Artykuł, w którym znaleźli dowody na to, że w rzadkich przypadkach mitochondrialne DNA może być odziedziczone po obojgu rodzicach.

Mendlowskie wzorce dziedziczenia a mitochondrialne wzorce dziedziczenia (Źródło: BQmUB2011167 za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Większość materiału genetycznego w komórkach eukariotycznych znajduje się w jądrze komórkowym. Jednak niewielka część DNA znajduje się w mitochondriach.

Materiał genetyczny wewnątrz tych organelli jest znany jako mitochondrialne DNA, które jest zorganizowane w kolistym chromosomie, który u ssaków ma od 16 000 do 16 800 par zasad.

Zaobserwowano, że mutacje w mitochondrialnym DNA powodują poważne choroby u poszczególnych osób, aw większości przypadków choroby są dziedziczone z matki na dziecko, gdy mitochondria matki mają mutacje w swoim DNA.

Wszystkie mitochondria potomków pochodzą z niewielkiej grupy mitochondriów obecnych w komórce jajowej, gdy następuje moment powstania zygoty (połączenie komórki jajowej i plemnika), dlatego w większości przypadków mitochondria płodu są dziedziczone tylko od jego matki.

Fuzja gamet i transfer mitochondriów

W czasie zapłodnienia komórki jajowej (gamet żeńskiej) plemnik lub gameta męska wnosi kilka mitochondriów do rozwijającego się zarodka.

Udział ten występuje w momencie kontaktu nasienia z błoną plazmatyczną zalążka, ponieważ obie błony ulegają fuzji i plemnik przedostaje się do cytoplazmy komórki jajowej, opróżniając tam swoją wewnętrzną zawartość.

W większości taksonów królestwa zwierząt istnieje „tendencja” do dziedziczenia w postaci klonalnej lub jednoosobowej mitochondriów i mitochondrialnego DNA (prawie zawsze w odniesieniu do matek). W niektórych rodzinach zwierząt istnieją mechanizmy niszczenia ojcowskich mitochondriów przenoszonych przez plemniki.

Komórka jajowa ssaków ma setki mitochondriów, które stanowią około 1/3 całkowitego DNA tych komórek płciowych; podczas gdy plemniki mają tylko kilka w obszarze pośrednim między wicią a głową.

Ludzkie jaja mają ponad 100 000 kopii mitochondrialnego DNA; w międzyczasie plemniki mają tylko około 100, ale ich ilość różni się w zależności od gatunku.

To pokazuje, że ogromna większość mitochondriów w komórkach potomków jest przenoszona przez matkę. Dlatego też, jeśli mitochondria zalążków wykazują szkodliwe lub szkodliwe mutacje, mutacje te zostaną przekazane ich potomkom.

Dziedziczenie biparentalne

Naukowiec Hutchinson w 1974 roku był jednym z pierwszych, którzy stwierdzili, że dziedziczenie mitochondriów odbywa się w sposób ściśle macierzyński (matrylinearny). Jednak na początku XX wieku White i współpracownicy zaobserwowali, że u niektórych małży mitochondrialne dziedzictwo nie było ściśle matczyne.

Później, w 2008 roku, obserwacja ta dotycząca małży została określona jako rodzaj „heteroplazmii”, która odnosi się do „wycieku” mitochondriów i ojcowskiego mitochondrialnego DNA do potomstwa.

W wielu innych obserwacjach stwierdzono, że obecność ojcowskich mitochondriów i mitochondrialnego DNA u małży jest zjawiskiem naturalnym.

Shiyu Luo i współpracownicy zidentyfikowali trzy osoby z trzech rodzin ludzkich z niezwykłą heteroplazmą mitochondrialnego DNA. Tych heteroplazmy nie można wytłumaczyć pochodzeniem mitochondrialnego DNA matki, więc autorzy ci przeprowadzili sekwencjonowanie mitochondrialnego DNA nowej generacji obojga rodziców i dziadków trzech osób.

W ten sposób niezwykłą heteroplazmię zidentyfikowano jako produkt wkładu mitochondrialnego DNA obojga dziadków, babci i dziadka. Ponadto autorzy zidentyfikowali dwie dodatkowe niespokrewnione rodziny wykazujące dwurodzicielską transmisję mitochondrialną.

To badanie było pierwszym raportem na temat dziedziczenia mitochondrialnego w sposób dwurodzicielski u ludzi.

Luo i wsp. Sugerują, że heteroplazmia spowodowana ojcowską transmisją mitochondrialnego DNA jest pomijana w diagnozach, gdy nie powoduje ona żadnej choroby u osób, które ją noszą.

Aplikacje

DNA mitochondrialne zostało wprowadzone do genetyki populacyjnej, filogenezy i badań ewolucyjnych przez dr Johna C. Avise w 1979 roku i obecnie jest to jedno z najpotężniejszych narzędzi do badania genetyki populacyjnej ze wszystkich żyjące istoty.

Śledząc genealogię ludzkiego mitochondrialnego DNA, przeprowadzono ogromną liczbę badań genetycznych, aby określić pochodzenie ludzkości.

Nawet na podstawie matczynego mitochondrialnego DNA ustalono, że wszystkich ludzi na świecie można podzielić na około 40 różnych grup mitochondrialnych haplotypów, ściśle powiązanych z różnymi obszarami geograficznymi świata.

Wiele domów handlowych, takich jak „Oxford Ancestor”, oferuje śledzenie wszystkich przodków ludzi wykorzystujących dziedziczenie mitochondrialnego DNA.

Założyciel przodka z Oksfordu, Bryan Sykes, użył mitochondrialnego DNA do sklasyfikowania wszystkich Europejczyków w klany założone przez „Siedem Córek Ewy”. To tytuł, który Sykes nadał książce, którą napisał, próbując prześledzić pochodzenie wszystkich Europejczyków.

W swojej książce Bryan Sykes śledzi mitochondrialne dziedzictwo wszystkich obywateli Europy poprzez sekwencjonowanie mitochondrialnego DNA tysięcy ludzi, lokalizując pochodzenie wszystkich Europejczyków w siedmiu kobietach, które istniały przed ostatnią epoką lodowcową 45 000 lat temu.

Patologie i zapobieganie

Szkodliwe mutacje genów mitochondrialnego DNA powodują wiele chorób na poziomie ogólnoustrojowym. Mutacje te mogą być przenoszone w drodze dziedziczenia mitochondrialnego przez matkę i rzadko przez ojca.

Mutacja w mitochondrialnym DNA może powodować problemy z powodu braku lub uszkodzenia enzymów zaangażowanych w oddychanie komórkowe. To uszkodzenie prowadzi do zmniejszenia podaży ATP w komórkach, powodując nieprawidłowe funkcjonowanie systemów organizmu.

Jednak w wielu przypadkach ludzie dziedziczą różne typy mitochondriów po matkach, niektóre funkcjonalne, a inne wadliwe; Dlatego mitochondria z funkcjonalnymi genami mogą kompensować nieprawidłowe działanie wadliwych mitochondriów.

Forma przenoszenia patologii mitochondrialnych drogą „matrylinearną” (dziedziczenie mitochondrialne) (źródło: ghr.nlm.nih.gov za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Obecnie prowadzone są badania nad przenoszeniem jąder komórkowych, które mogą pozwolić kobietom cierpiącym na choroby wywołane szkodliwymi mutacjami w mitochondriach mieć zdrowe dzieci.

Metoda przenoszenia jąder polega na ekstrakcji jądra komórkowego z komórki jajowej matki wraz z dotkniętymi chorobą mitochondriów i umieszczeniu go w prawidłowych zalążkach dawcy, z których wcześniej pobrano jądro komórkowe.

Następnie komórkę jajową można zapłodnić nasieniem partnera pacjentki in vitro. Ta technika wywołała kontrowersje, ponieważ poczęte płody miałyby DNA trzech różnych rodziców.

Bibliografia

1. Adam, poseł, Ardinger, HH, Pagon, RA, Wallace, SE, Bean, LJH, Stephens, K. i Amemiya, A. Omówienie zaburzeń mitochondrialnych - GeneReviews®.
2. Aiello, LB i Chiatti, BD (2017). Elementarz w genetyce i genomice, artykuł 4-Wzorce dziedziczenia. Badania biologiczne dla pielęgniarstwa, 19 (4), 465-472.
3. Avise, JC, Giblin-Davidson, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Klony mitochondrialnego DNA i filogeneza matriarchalna w obrębie i wśród populacji geograficznych susła kieszonkowego, Geomys pinetis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 76 (12), 6694-6698.
4. Hadjivasiliou, Z., Lane, N., Seymour, RM i Pomiankowski, A. (2013). Dynamika dziedziczenia mitochondrialnego w ewolucji binarnych typów kojarzenia i dwóch płci. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 280 (1769), 20131920.
5. HUTCHISON III, Kalifornia, Newbold, JE, Potter, SS i Edgell, MH (1974). Dziedziczenie mitochondrialne DNA ssaków po matce. Naturę, 251 (5475), 536.
6. McWilliams, TG i Suomalainen, A. (2019). Los mitochondriów ojca. Naturę, 565 (7739), 296-297.
7. Sutovsky, P. (2019). Komórkowe i molekularne podstawy dziedziczenia mitochondriów. Skoczek.