МІТОХОНДРІАЛЬНЕ УСПАДКУВАННЯ: АПЛІКАЦІЇ, ПАТОЛОГІЇ, ПРОФІЛАКТИКА - БІОЛОГІЯ - 2025

Мітохондріальне спадкуванням є передачею мітохондріальної ДНК через органеллу під назвою «мітохондрія» і походить від батьків до нащадків. Зазвичай успадкування відбувається лише від материнських мітохондрій, "матрилінейним" способом.

Проте Шию Луо та його колеги опублікували статтю в січні 2019 року, в якій знайшли докази того, що рідко мітохондріальна ДНК може бути успадкована від обох батьків.

Менделівські схеми успадкування та схеми успадкування мітохондріалів (Джерело: BQmUB2011167 через Wikimedia Commons)

Більша частина генетичного матеріалу в еукаріотичних клітинах знаходиться у клітинному ядрі. Однак незначна частина ДНК виявляється всередині мітохондрій.

Генетичний матеріал всередині цієї органели відомий як мітохондріальна ДНК, яка організована у круговій хромосомі, яка у ссавців має довжину від 16 000 до 16 800 пар основ.

Спостерігалося, що мутації в мітохондріальній ДНК викликають важкі захворювання у людей, і в більшості випадків захворювання успадковуються лише від матері до дитини, коли материнські мітохондрії мають мутації у своїй ДНК.

Усі мітохондрії нащадків походять з невеликої групи мітохондрій, присутніх у яйцеклітині, коли настає момент утворення зиготи (злиття яйцеклітини та сперми), тому в більшості випадків мітохондрії плоду передаються лише у спадок від матері.

Злиття гамет і перенесення мітохондрій

На час запліднення яйцеклітини (жіночої гамети) сперма або чоловіча гамета вносять кілька мітохондрій у ембріон, що розвивається.

Цей внесок відбувається в момент контакту сперми з плазматичною мембраною яйцеклітини, оскільки обидві оболонки зливаються, а сперма потрапляє в цитоплазму яйцеклітини, спорожнюючи там свій внутрішній вміст.

У більшості таксонів тваринного царства спостерігається "тенденція" до успадкування в клональній або однопородній формі мітохондрій та мітохондріальної ДНК (майже завжди стосовно матерів). У деяких сім'ях тварин існують механізми руйнування батьківських мітохондрій, що передаються сперматозоїдами.

Яйцеклітина у ссавців має сотні мітохондрій, які становлять приблизно 1/3 загальної кількості ДНК, яку мають ці статеві клітини; в той час як сперматозоїдів є лише декілька в проміжній області між джгутиком і головкою.

Яйця людини мають понад 100 000 копій мітохондріальної ДНК; тим часом, сперми налічується лише близько 100, але кількість змінюється залежно від виду.

Це робить очевидним, що переважна більшість мітохондрій у клітинах нащадків передається від матері. Тому, якщо в мітохондріях яйцеклітин є шкідливі або шкідливі мутації, ці мутації передаватимуться їх нащадкам.

Двостороннє успадкування

Вчений Хатчінсон у 1974 р. Одним із перших підтвердив, що успадкування мітохондрій відбулося строго материнським (матрилінеальним) способом. Однак на початку XX століття Білий та його колеги зауважили, що в деяких мідіях спадщина мітохондрій не є суто материнською.

Пізніше, у 2008 році, це спостереження на мідіях було позначено як тип "гетероплазми", що стосується "витоку" мітохондрій та батьківської мітохондріальної ДНК у потомство.

Багато інших спостережень визначили наявність батьківських мітохондрій та мітохондріальної ДНК у мідіях як природних.

Шию Луо та його колеги ідентифікували трьох людей із трьох людських родин з незвичайною гетероплазмою ДНК мітохондрій. Ці гетероплазми не можна було пояснити за походженням материнської мітохондріальної ДНК, тому ці автори провели послідовність послідовності ДНК мітохондрій наступного покоління обох батьків та обох бабусь і дідусів з трьох людей.

Таким чином незвичну гетероплазму визначали як продукт внеску мітохондріальної ДНК як від бабусь, так і від бабусі та дідуся. Крім того, автори виділили дві додаткові споріднені сім'ї, що демонструють біпарентальну мітохондріальну передачу.

Це дослідження було першою доповіддю про спадкування мітохондрій двостороннім способом у людей.

Луо та ін. Запропонують, що гетероплазма внаслідок батьківської мітохондріальної передачі ДНК пропускається при діагностиці, коли вона не викликає жодних захворювань у осіб, які її переносять.

Програми

Мітохондріальна ДНК була введена в популяційній генетиці, філогенезі та еволюційних дослідженнях доктора Джона К. Евіс у 1979 році, і сьогодні це один з найпотужніших інструментів вивчення популяційної генетики всіх живі істоти.

Простеживши генеалогію мітохондріальної ДНК людини, було проведено величезну кількість генетичних досліджень, щоб спробувати визначити походження людства.

Навіть на підставі материнської мітохондріальної ДНК було визначено, що всіх людей у ​​світі можна класифікувати приблизно до 40 різних груп мітохондріальних гаплотипів, тісно пов'язаних з різними географічними районами світу.

Багато комерційних будинків на кшталт "Оксфордського предка" пропонують простежити всіх предків людей, використовуючи спадщину мітохондріальної ДНК.

Засновник Оксфордського предка Брайан Сайкс використовував мітохондріальну ДНК для класифікації всіх європейців на клани, засновані "Сімома дочками Єви". Це заголовок, який Сайкс присвоїв книзі, яку він написав, намагаючись простежити походження всіх європейців.

У своїй книзі Брайан Сайкс слідкує за спадщиною мітохондрій усіх європейських громадян шляхом секвенування мітохондріальної ДНК тисяч людей, локалізуючи походження всіх європейців у семи жінок, які існували до останнього льодовикового періоду, 45 000 років тому.

Патології та профілактика

Шкідливі мутації в генах ДНК мітохондрій викликають множинні захворювання на системному рівні. Ці мутації можуть передаватися мітохондріальним успадкуванням через матір і рідше батько.

Мутація в мітохондріальній ДНК може спричинити проблеми через відсутність або пошкодження ферментів, що беруть участь у клітинному диханні. Ця шкода призводить до зменшення живлення АТФ клітин, що призводить до несправності систем організму.

Однак у багатьох випадках люди успадковують різні типи мітохондрій від своїх матерів, деякі функціональні та інші дефектні; тому мітохондрії з функціональними генами можуть компенсувати порушення роботи несправних мітохондрій.

Форма передачі патологій мітохондрій «матрилінеальним» шляхом (спадщина мітохондрій) (Джерело: ghr.nlm.nih.gov через Wikimedia Commons)

В даний час проводяться дослідження з передачі клітинних ядер, які дозволять жінкам, які страждають від захворювань, спричинених шкідливими мутаціями в мітохондріях, мати здорових дітей.

Спосіб перенесення ядер складається з вилучення ядра клітини з яйцеклітини матері з ураженими мітохондріями та введення її в нормальні доноровані яйцеклітини, з яких раніше було витягнуто ядро ​​клітини.

Згодом яйцеклітина може бути запліднена спермою від партнера пацієнта in vitro. Ця методика породила суперечки, оскільки зачаті плоди мали б ДНК трьох різних батьків.

Список літератури

1. Адам, депутат, Ардінгер, HH, Пагон, Р.А., Уоллес, SE, Бін, LJH, Stephens, K., & Amemiya, A. Огляд мітохондріальних розладів - GeneReviews®.
2. Aiello, LB та Chiatti, BD (2017). Буквар в генетиці та геноміці, стаття 4 - Спадкові структури. Біологічні дослідження для медсестер, 19 (4), 465-472.
3. Avise, JC, Giblin-Davidson, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Клони ДНК мітохондрій та матріархальна філогенія в межах та серед географічних популяцій кишенькового ховраха Geomys pinetis. Праці Національної академії наук, 76 (12), 6694-6698.
4. Hadjivasiliou, Z., Lane, N., Seymour, RM, & Pomiankowski, A. (2013). Динаміка спадкування мітохондрій в еволюції бінарних типів спаровування та двох статей. Праці Королівського товариства B: Біологічні науки, 280 (1769), 20131920.
5. HUTCHISON III, CA, Newbold, JE, Potter, SS, & Edgell, MH (1974). Успадковування матері за ДНК мітохондрій ссавців. Природа, 251 (5475), 536.
6. McWilliams, TG та Suomalainen, A. (2019). Доля мітохондрій батька. Природа, 565 (7739), 296-297.
7. Сутовський, П. (2019). Клітинні та молекулярні основи спадкування мітохондрій. Спрингер.