MITOHONDRIJSKO DEDOVANJE: APLIKACIJE, PATOLOGIJE, PREVENTIVA - BIOLOGIJA - 2026

Mitohondrijsko dedovanje je prenos mitohondrijske DNK skozi organelov imenovano "mitohondriji" in se pojavi od staršev do svojih potomcev. Običajno se dedovanje zgodi samo od materinskih mitohondrij na "matrilinealni" način.

Shiyu Luo in sodelavci pa so januarja 2019 objavili članek, v katerem so našli dokaze, da je mitohondrijska DNK lahko redko podedovana od obeh staršev.

Mendelijski vzorci dedovanja v primerjavi z vzorci dedovanja po mitohondrijskih vzorcih (Vir: BQmUB2011167 prek Wikimedia Commons)

Večina genskega materiala v evkariontskih celicah najdemo znotraj celičnega jedra. Vendar pa majhen del DNK najdemo znotraj mitohondrijev.

Genetski material znotraj te organele je znan kot mitohondrijska DNK, ki je organizirana v krožnem kromosomu, ki je pri sesalcih dolg med 16.000 in 16.800 baznih parov.

Opazili so, da mutacije v mitohondrijski DNK povzročajo hude bolezni pri posameznikih, v večini primerov pa se bolezni podedujejo le od matere do otroka, ko imajo mitohondriji mater v svoji DNK mutacije.

Vsi mitohondriji potomcev izvirajo iz majhne skupine mitohondrijev, ki so prisotni v ovuli, ko pride do nastanka zigote (zlitje jajčne celice in semenčic), zato se v večini primerov mitohondriji zarodka samo podedujejo od njegove matere.

Fuzija gameta in prenos mitohondrijev

V času oploditve jajčne celice (ženske gamete) sperma ali moška gameta prispeva nekaj mitohondrijev v razvijajoč se zarodek.

Ta prispevek se zgodi v trenutku stika sperme s plazemsko membrano ovule, saj se obe membrani spojita, sperma pa vstopi v citoplazmo jajčne celice in tam izprazni svojo notranjo vsebino.

V večini taksonov živalskega kraljestva obstaja "nagnjenost" k dedovanju v klonalni ali enoparentalni obliki mitohondrijev in mitohondrijske DNK (skoraj vedno v zvezi z materami). V nekaterih družinah živali obstajajo mehanizmi uničenja očetovskih mitohondrij, ki jih prenašajo semenčice.

V jajčnikih pri sesalcih je na stotine mitohondrij, ki predstavljajo približno 1/3 celotne DNK, ki jo imajo te spolne celice; medtem ko ima sperme le nekaj v vmesnem območju med flagellumom in glavo.

Človeška jajca imajo več kot 100.000 kopij mitohondrijske DNK; medtem ima sperme le okoli 100, količina pa se razlikuje glede na zadevno vrsto.

Iz tega je razvidno, da je velika večina mitohondrijev v celicah potomcev materinski prenos. Torej, če mitohondriji ovulov predstavljajo škodljive ali škodljive mutacije, se te mutacije prenesejo na njihove potomce.

Biparentalno dedovanje

Znanstvenik Hutchinson je leta 1974 med prvimi potrdil, da se dedovanje mitohondrijev zgodi na strogo materinski (matrilinealni) način. Vendar so na začetku 20. stoletja White in sodelavci opazili, da mitohondrična dednost pri nekaterih školjkah ni povsem materinska.

Kasneje, leta 2008, je bilo to opazovanje na školjkah označeno kot vrsta "heteroplazme", ki se nanaša na "uhajanje" mitohondrijev in očetovskih mitohondrijskih DNK v potomce.

Veliko več opazovanj je ugotavljalo prisotnost očesnih mitohondrijev in mitohondrijske DNK v školjkah kot naravnih.

Shiyu Luo in sodelavci so identificirali tri osebe iz treh človeških družin z nenavadno mitohondrijsko DNK heteroplazmijo. Te heteroplazme ni bilo mogoče razložiti s potomstvom materinske mitohondrijske DNK, zato so ti avtorji izvedli sekvenciranje mitohondrijske DNK naslednje generacije obeh staršev in obeh starih staršev treh ljudi.

Na ta način je bila nenavadna heteroplazmija identificirana kot produkt prispevka mitohondrijske DNK obeh starih staršev, babice in dedka. Poleg tega sta avtorja identificirala dve dodatni nepovezani družini, ki prikazujeta mitohondrijski prenos biparental.

Ta raziskava je bila prvo poročilo o dedovanju mitohondrijev na biparentalni način pri ljudeh.

Luo et al. Predlagajo, da se heteroplazma zaradi prenosa očesne mitohondrije z DNK v očetu zamudi pri diagnozah, kadar pri posameznikih, ki jo prenašajo, ne povzroči nobene bolezni.

Prijave

Dr. John C. Avise je leta 1979 uvedel mitohondrijsko DNK v populacijsko genetiko, filogenijo in evolucijske študije in danes je to eno najmočnejših orodij za proučevanje populacijske genetike vseh živa bitja.

S sledenjem rodoslovja človeške mitohondrijske DNK je bilo izvedenih ogromno genetskih raziskav, da bi poskušali natančno določiti izvor človeštva.

Tudi na podlagi materinske mitohondrijske DNK je bilo ugotovljeno, da se vsi ljudje na svetu lahko razvrstijo v približno 40 različnih skupin mitohondrijskih haplotipov, tesno povezanih z različnimi geografskimi območji sveta.

Številne komercialne hiše, kot je "Oxford Ancestor", ponujajo izsleditev vseh prednikov ljudi, ki uporabljajo dedovanje mitohondrijske DNK.

Ustanovitelj Oxfordskega prednika Bryan Sykes je z mitohondrijsko DNK razvrstil vse Evropejce v klane, ki jih je ustanovila "Sedem hčera Eve". To je naslov, ki ga je Sykes dodelil knjigi, ki jo je napisal in poskušal izslediti izvor vseh Evropejcev.

Bryan Sykes v svoji knjigi sledi mitohondrijskemu dedovanju vseh evropskih državljanov s sekvenciranjem mitohondrijske DNK tisoč ljudi, ki locira izvor vseh Evropejk pri sedmih ženskah, ki so obstajale pred zadnjo ledeno dobo, pred 45.000 leti.

Patologije in preprečevanje

Škodljive mutacije v genih mitohondrijev DNA povzročajo več bolezni na sistemski ravni. Te mutacije lahko prenašajo z mitohondrijskim dedovanjem prek matere in redko očeta.

Mutacija v mitohondrijski DNK lahko povzroči težave zaradi odsotnosti ali poškodbe encimov, ki sodelujejo pri celičnem dihanju. Ta škoda vodi do zmanjšanja oskrbe celic z ATP, zaradi česar telesni sistemi ne delujejo.

Vendar pa ljudje večkrat podedujejo različne vrste mitohondrijev od svojih mater, nekatere funkcionalne in druge pomanjkljive; zato lahko mitohondriji s funkcionalnimi geni nadomestijo okvaro napačnih mitohondrijev.

Način prenosa mitohondrijskih patologij po matrilinealni poti (mitohondrijsko dedovanje) (Vir: ghr.nlm.nih.gov preko Wikimedia Commons)

Trenutno potekajo raziskave za prenos celičnih jeder, ki ženskam, ki trpijo zaradi bolezni, ki jih povzročajo škodljive mutacije v mitohondrijih, lahko dobijo zdrave otroke.

Metoda za prenos jeder je sestavljena iz ekstrakcije celičnega jedra iz materine jajčne celice s prizadetim mitohondrijem in vstavitve v običajne darovane ovule, iz katerih je bilo predhodno ekstrahirano celično jedro.

Kasneje se lahko jajčece oplodi s pomočjo sperme bolnikovega partnerja in vitro. Ta tehnika je sprožila polemiko, ker bi imeli spočeti plodovi DNK treh različnih staršev.

Reference

1. Adam, poslanec, Ardinger, HH, Pagon, RA, Wallace, SE, Bean, LJH, Stephens, K., & Amemiya, A. Pregled mitohondrijskih motenj - GeneReviews®.
2. Aiello, LB in Chiatti, BD (2017). Primer v genetiki in genomiki, člen 4-Naslednji vzorci. Biološke raziskave za nego, 19 (4), 465–472.
3. Avise, JC, Giblin-Davidson, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Kloni DNK mitohondrijev in matriarhalna filogenija znotraj in med geografsko populacijo žepnega goferja, Geomys pinetis. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 76 (12), 6694-6698.
4. Hadjivasiliou, Z., Lane, N., Seymour, RM, in Pomiankowski, A. (2013). Dinamika dedovanja mitohondrijev v evoluciji binarnih vrst parjenja in dveh spolov. Zbornik Kraljeve družbe B: Biological Sciences, 280 (1769), 20131920.
5. HUTCHISON III, CA, Newbold, JE, Potter, SS in Edgell, MH (1974). Maternalno dedovanje mitohondrijske DNA sesalcev. Narava, 251 (5475), 536.
6. McWilliams, TG in Suomalainen, A. (2019). Usoda očetove mitohondrije. Narava, 565 (7739), 296-297.
7. Sutovsky, P. (2019). Celične in molekularne osnove dedovanja mitohondrijev. Springer.