MITOCHONDRIAL ARV: APPLIKATIONER, PATOLOGIER, FOREBYGGELSE - BIOLOGI - 2025

Den mitokondrielle arv er transmission af mitokondrielt DNA gennem organellen kaldet "mitokondrier" og forekommer fra forælder til hans efterkommere. Arv forekommer typisk kun fra moderens mitokondrier på en "matrilineal" måde.

Shiyu Luo og kolleger offentliggjorde imidlertid en artikel i januar 2019, hvor de fandt bevis for, at mitokondrielle DNA i sjældne tilfælde kan arves fra begge forældre.

Mendelian arvemønster vs Mitochondrial arvemønstre (Kilde: BQmUB2011167 via Wikimedia Commons)

Det meste af det genetiske materiale i eukaryote celler findes inden i cellekernen. Imidlertid findes en lille del af DNA inde i mitokondrierne.

Det genetiske materiale inde i denne organelle er kendt som mitokondrielt DNA, der er organiseret i et cirkulært kromosom, som i pattedyr er mellem 16.000 og 16.800 basepar i længden.

Der er observeret, at mutationer i mitokondrielt DNA forårsager alvorlige sygdomme hos individer, og i de fleste tilfælde arves sygdommene kun fra mor til barn, når moderlige mitokondrier har mutationer i deres DNA.

Alle afkomternes mitokondrier kommer fra en lille gruppe af mitokondrier, der er til stede i ægløsningen, når zygotdannelsesøjeblikket finder sted (fusion af æg og sperm), derfor er i de fleste tilfælde kun mitokondrier i arvet arvet fra sin mor.

Fusion af gameter og overførsel af mitokondrier

På befrugtningstidspunktet af æggene (hunkameter) bidrager sæden eller mandlig kameten et par mitokondrier til det udviklende embryo.

Dette bidrag forekommer i øjeblikket, hvor sædcellerne kommer i kontakt med plasmamembranen i ægløsningen, da begge membraner smelter sammen, og sædcellen kommer ind i cytoplasmaet i ægløsningen og tømmer dets indre indhold der.

I de fleste taxaer i dyreriget er der en "tendens" til arv i en klonal eller uniparental form af mitokondrier og mitokondrielt DNA (næsten altid med hensyn til mødre). I nogle dyrefamilier findes der ødelæggelsesmekanismer for de faderlige mitokondrier overført af sædceller.

Ægget hos pattedyr har hundreder af mitokondrier, som repræsenterer ca. 1/3 af det samlede DNA, som disse kønsceller har; mens sædcellen kun har få i et mellemregion mellem flagellum og hoved.

Humane æg har mere end 100.000 kopier af mitokondrielt DNA; I mellemtiden har sædcellen kun ca. 100, men mængden varierer afhængigt af den pågældende art.

Dette gør det tydeligt, at langt de fleste af mitokondrierne i cellerne til efterkommerne er af moderlig transmission. Derfor, hvis eggledernes mitokondrier udgør skadelige eller skadelige mutationer, vil disse mutationer blive overført til deres efterkommere.

Biparental arv

Forskeren Hutchinson i 1974 var en af ​​de første til at bekræfte, at arven efter mitokondrier skete på en stram moderlig (matrilineal) måde. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede observerede White og kolleger imidlertid, at mitokondrielle arv ikke var moderlig hos nogle muslinger.

Senere, i 2008, blev denne observation i muslinger betegnet som en type "heteroplasmi", som henviser til "lækage" af mitokondrier og faderligt mitokondrialt DNA i afkom.

Mange flere observationer identificerede tilstedeværelsen af ​​faderlige mitokondrier og mitokondrielt DNA i muslinger som naturlige.

Shiyu Luo og kolleger identificerede tre personer fra tre menneskelige familier med usædvanlig mitokondrial DNA-heteroplasma. Disse heteroplasmier kunne ikke forklares ved nedstigningen af ​​miternier-mitokondrialt DNA, så disse forfattere udførte næste generations sekventering af mitokondrialt DNA fra begge forældre og begge bedsteforældre af de tre personer.

På denne måde blev den usædvanlige heteroplasmi identificeret som et produkt af bidraget fra mitokondrielt DNA fra både bedsteforældre, bedstemødre og bedstefar. Derudover identificerede forfatterne to yderligere ikke-beslægtede familier, der udviser biparental mitokondrial transmission.

Denne undersøgelse var den første rapport om mitokondriel arv på en biparental måde hos mennesker.

Luo et al. Foreslår, at heteroplasmi på grund af transmission af faderligt mitokondrielt DNA går glip af diagnoser, når det ikke forårsager nogen sygdom hos de personer, der bærer det.

Applikationer

Mitochondrial DNA blev introduceret i populationsgenetik, fylogeni og evolutionsundersøgelser af Dr. John C. Avise i 1979, og i dag er dette et af de mest kraftfulde værktøjer til undersøgelse af populationsgenetik af alle levende væsner.

Ved at spore slægtsforskningen med humant mitokondrielt DNA er der udført en enorm mængde genetiske undersøgelser for at forsøge at præcisere menneskehedens oprindelse.

Selv baseret på moderligt mitokondrielt DNA er det blevet fastlagt, at alle mennesker i verden kan klassificeres i omkring 40 forskellige grupper af mitokondrielle haplotyper, tæt knyttet til forskellige geografiske områder i verden.

Mange kommercielle huse som "Oxford Ancestor" tilbyder at spore alle forfædre til mennesker, der bruger arven efter mitokondrielt DNA.

Oxford Ancestor-grundlægger Bryan Sykes brugte mitokondrielt DNA til at klassificere alle europæere i klaner, der blev grundlagt af "Seven Daughters of Eve." Dette er titlen Sykes tildeltes en bog, han skrev og forsøgte at spore oprindelsen af ​​alle europæere.

I sin bog følger Bryan Sykes mitokondrielle arv fra alle europæiske borgere gennem sekventeringen af ​​mitokondrialt DNA fra tusinder af mennesker og lokaliserede oprindelsen af ​​alle europæere hos syv kvinder, der eksisterede før den sidste istid, for 45.000 år siden.

Patologier og forebyggelse

Skadelige mutationer i mitokondrielle DNA-gener forårsager flere sygdomme på systemisk niveau. Disse mutationer kan overføres ved mitokondriel arv gennem moderen og sjældent faderen.

En mutation i mitochondrial DNA kan forårsage problemer på grund af fraværet eller beskadigelsen af ​​enzymerne involveret i cellulær respiration. Denne skade fører til en reduktion i ATP-forsyningen af ​​cellerne, hvilket får kroppens systemer til at fungere.

Imidlertid arver folk forskellige typer mitokondrier fra deres mødre, nogle er funktionelle og andre mangelfulde; derfor kan mitokondrier med funktionelle gener kompensere for funktionsfejlen i defekte mitokondrier.

Form for transmission af mitokondriske patologier med den «matrilineale» vej (mitokondrial arv) (Kilde: ghr.nlm.nih.gov via Wikimedia Commons)

I øjeblikket forskes der for at overføre cellekerner, der kan gøre det muligt for kvinder, der lider af sygdomme forårsaget af skadelige mutationer i mitokondrierne, at få sunde børn.

Metoden til overførsel af kerner består af ekstraktion af cellekernen fra moderens æg med de berørte mitokondrier og indsættelse i normale donerede ægløsninger, hvorfra cellekernen tidligere er blevet ekstraheret.

Efterfølgende kan ægget befrugtes med sæd fra patientens partner in vitro. Denne teknik har skabt kontrovers, fordi de undfangne ​​fostre ville have DNA fra tre forskellige forældre.

Referencer

1. Adam, MP, Ardinger, HH, Pagon, RA, Wallace, SE, Bean, LJH, Stephens, K., & Amemiya, A. Mitochondrial Disorders Oversigt - GeneReviews®.
2. Aiello, LB, & Chiatti, BD (2017). Grundlæggende inden for genetik og genomik, artikel 4-arvemønstre. Biologisk forskning i sygepleje, 19 (4), 465-472.
3. Avise, JC, Giblin-Davidson, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Mitokondriske DNA-kloner og matriarkal fylogeni inden for og blandt de geografiske populationer af lomme-gopheren, Geomys pinetis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 76 (12), 6694-6698.
4. Hadjivasiliou, Z., Lane, N., Seymour, RM, & Pomiankowski, A. (2013). Dynamik af mitokondriel arv i udviklingen af ​​binære parringstyper og to køn. Proceedings of the Royal Society B: Biologiske videnskaber, 280 (1769), 20131920.
5. HUTCHISON III, CA, Newbold, JE, Potter, SS, & Edgell, MH (1974). Morens arv fra pattedyrs mitochondrial DNA. Nature, 251 (5475), 536.
6. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Skæbnen for en fars mitokondrier. Nature, 565 (7739), 296-297.
7. Sutovsky, P. (2019). Cellulær og molekylær basis for mitokondrial arv. Springer.