МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ: ПРИМЕНЕНИЯ, ПАТОЛОГИИ, ПРОФИЛАКТИКА - БИОЛОГИЯ - 2025

Митохондриальное наследованием является передачей митохондриальной ДНК через органеллу под названием «митохондрия» и происходит от родителей к потомкам. Как правило, наследование происходит только от материнских митохондрий по «матрилинейной» форме.

Однако Шию Ло и его коллеги опубликовали статью в январе 2019 года, в которой нашли доказательства того, что в редких случаях митохондриальная ДНК может быть унаследована от обоих родителей.

Менделирующие паттерны наследования и митохондриальные паттерны наследования (Источник: BQmUB2011167 через Wikimedia Commons)

Большая часть генетического материала эукариотических клеток находится в ядре клетки. Однако небольшая часть ДНК находится внутри митохондрий.

Генетический материал внутри этой органеллы известен как митохондриальная ДНК, которая организована в кольцевую хромосому, длина которой у млекопитающих составляет от 16000 до 16800 пар оснований.

Мутации в митохондриальной ДНК вызывают тяжелые заболевания у людей, и в большинстве случаев заболевания передаются от матери к ребенку только тогда, когда материнские митохондрии имеют мутации в ДНК.

Все митохондрии потомков происходят из небольшой группы митохондрий, присутствующих в яйцеклетке в момент образования зиготы (слияние яйцеклетки и сперматозоидов), поэтому в большинстве случаев митохондрии плода передаются только по наследству. от его матери.

Слияние гамет и перенос митохондрий

Во время оплодотворения яйцеклетки (женской гаметы) сперма или мужская гамета вносят несколько митохондрий в развивающийся эмбрион.

Этот вклад происходит в момент контакта спермы с плазматической мембраной яйцеклетки, поскольку обе мембраны сливаются, и сперматозоид попадает в цитоплазму яйцеклетки, опорожняя там свое внутреннее содержимое.

В большинстве таксонов животного мира существует «тенденция» к наследованию в клональной или монородительской форме митохондрий и митохондриальной ДНК (почти всегда в отношении материнской). В некоторых семьях животных существуют механизмы разрушения отцовских митохондрий, передаваемых сперматозоидами.

Яйцеклетка млекопитающих состоит из сотен митохондрий, которые составляют около 1/3 всей ДНК этих половых клеток; в то время как у сперматозоидов их немного в промежуточной области между жгутиком и головкой.

Яйца человека содержат более 100 000 копий митохондриальной ДНК; Между тем, сперматозоидов всего около 100, но количество варьируется в зависимости от рассматриваемого вида.

Это делает очевидным, что подавляющее большинство митохондрий в клетках потомков передаются от матери. Следовательно, если в митохондриях семяпочек присутствуют вредные или вредные мутации, эти мутации передаются их потомкам.

Бипорительское наследование

Ученый Хатчинсон в 1974 году одним из первых подтвердил, что наследование митохондрий происходит строго по материнскому (матрилинейному) пути. Однако в начале 20 века Уайт и его коллеги заметили, что у некоторых мидий митохондриальное наследование не было строго материнским.

Позже, в 2008 году, это наблюдение у мидий было обозначено как тип «гетероплазмии», который относится к «утечке» митохондрий и отцовской митохондриальной ДНК в потомство.

Многие другие наблюдения идентифицировали присутствие отцовских митохондрий и митохондриальной ДНК в мидиях как естественное.

Шию Луо и его коллеги идентифицировали трех человек из трех человеческих семей с необычной гетероплазмией митохондриальной ДНК. Эти гетероплазмии не могли быть объяснены происхождением материнской митохондриальной ДНК, поэтому эти авторы выполнили секвенирование митохондриальной ДНК следующего поколения обоих родителей, а также бабушек и дедушек этих трех человек.

Таким образом, необычная гетероплазмия была идентифицирована как продукт вклада митохондриальной ДНК от бабушки и дедушки, бабушки и дедушки. Кроме того, авторы идентифицировали две дополнительные неродственные семьи, демонстрирующие передачу митохондрий от двух родителей.

Это исследование было первым отчетом о наследовании митохондрий двупародительским путем у людей.

Луо и др. Предполагают, что гетероплазмия из-за передачи отцовской митохондриальной ДНК не учитывается при диагностике, если она не вызывает каких-либо заболеваний у носителей.

Приложения

Митохондриальная ДНК была введена в популяционную генетику, филогению и эволюционные исследования доктором Джоном К. Ависом в 1979 году, и сегодня это один из самых мощных инструментов для изучения популяционной генетики. живые существа.

Прослеживая генеалогию митохондриальной ДНК человека, было проведено огромное количество генетических исследований, чтобы попытаться точно определить происхождение человечества.

Даже на основе материнской митохондриальной ДНК было определено, что всех людей в мире можно разделить примерно на 40 различных групп митохондриальных гаплотипов, тесно связанных с разными географическими регионами мира.

Многие коммерческие дома, такие как Oxford Ancestor, предлагают проследить всех предков людей, используя наследование митохондриальной ДНК.

Основатель Oxford Ancestor Брайан Сайкс использовал митохондриальную ДНК, чтобы разделить всех европейцев на кланы, основанные «семью дочерьми Евы». Это название Сайкс присвоил книге, которую он написал, пытаясь проследить происхождение всех европейцев.

В своей книге Брайан Сайкс прослеживает митохондриальную наследственность всех граждан Европы, секвенируя митохондриальную ДНК тысяч людей, обнаруживая происхождение всех европейцев у семи женщин, которые существовали до последнего ледникового периода, 45000 лет назад.

Патологии и профилактика

Вредные мутации в генах митохондриальной ДНК вызывают множественные заболевания на системном уровне. Эти мутации могут передаваться по митохондриальной наследственности от матери и, в редких случаях, от отца.

Мутация митохондриальной ДНК может вызвать проблемы из-за отсутствия или повреждения ферментов, участвующих в клеточном дыхании. Это повреждение приводит к снижению поступления АТФ в клетки, вызывая сбои в работе систем организма.

Однако во многих случаях люди наследуют различные типы митохондрий от своих матерей, некоторые функциональные, а другие дефектные; следовательно, митохондрии с функциональными генами могут компенсировать сбой в работе поврежденных митохондрий.

Форма передачи митохондриальных патологий по «матрилинеальному» пути (митохондриальная наследственность) (Источник: ghr.nlm.nih.gov через Wikimedia Commons)

В настоящее время проводятся исследования по переносу клеточных ядер, которые могут позволить женщинам, страдающим заболеваниями, вызванными вредными мутациями в митохондриях, иметь здоровых детей.

Метод переноса ядер заключается в извлечении ядра клетки из яйцеклетки матери с пораженными митохондриями и вставке его в нормальные донорские яйцеклетки, из которых ранее было извлечено ядро ​​клетки.

Впоследствии яйцеклетка может быть оплодотворена спермой партнера пациента in vitro. Этот метод вызвал споры, потому что зачатые зародыши будут иметь ДНК трех разных родителей.

Ссылки

1. Адам, член парламента, Ардингер, HH, Пагон, Р.А., Уоллес, С.Е., Бин, LJH, Стивенс, К., и Амемия, А. Обзор митохондриальных заболеваний - GeneReviews®.
2. Айелло, Л. Б. и Кьятти, Б. Д. (2017). Учебник по генетике и геномике, статья 4-Паттерны наследования. Биологические исследования для медсестер, 19 (4), 465-472.
3. Avise, JC, Гиблин-Дэвидсон, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Клоны митохондриальной ДНК и матриархальная филогения внутри и среди географических популяций карманного суслика Geomys pinetis. Слушания Национальной академии наук, 76 (12), 6694-6698.
4. Хадживасилиу, З., Лейн, Н., Сеймур, Р.М., и Помянковски, А. (2013). Динамика митохондриальной наследования в эволюции бинарных типов спаривания и двух полов. Труды Королевского общества B: Биологические науки, 280 (1769), 2013-1920.
5. ХАТЧИСОН III, Калифорния, Ньюболд, Дж. Э., Поттер, СС, и Эджелл, М. Х. (1974). Материнская наследование митохондриальной ДНК млекопитающих. Природа, 251 (5475), 536.
6. Маквильямс, Т.Г., и Суомалайнен, А. (2019). Судьба отцовских митохондрий. Nature, 565 (7739), 296-297.
7. Сутовский, П. (2019). Клеточные и молекулярные основы митохондриального наследования. Springer.