Μιτοχονδριακό DNA: Κληρονομείται και από τους μπαμπάδες, όχι μόνο από τις μαμάδες

Οι ιστοί και τα όργανα του σώματος μας απαρτίζονται από κύτταρα. Γνωρίζουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος του DNA ενός κυττάρου βρίσκεται στον πυρήνα του. Όμως, μέσα στο κύτταρο κατοικούν και μερικά μικρά οργανίδια, τα μιτοχόνδρια, που πιστεύεται ότι ξεκίνησαν ως ξεχωριστοί οργανισμοί με το δικό τους DNA (mtDNA) και πριν από περίπου 1,45 δισεκατομμύρια χρόνια εισήλθαν σε πρώιμα κύτταρα, τους άρεσε και δεν έφυγαν ποτέ. Από τότε αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα του κυττάρου.

Τα μιτοχόνδρια είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ζωής

Σε σχεδόν κάθε κύτταρο του σώματος, τα μιτοχόνδρια είναι υπεύθυνα για την παραγωγή ενέργειας. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα χρησιμοποιούν ενέργεια με τη μορφή του χημικού μορίου ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Είναι σαν τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Εάν δε παράγουν αρκετή ενέργεια, θα υπάρξουν περιοχές διακοπής ρεύματος. Με τον ίδιο τρόπο, εάν τα κύτταρα μας δεν έχουν αρκετή ενέργεια, οι ιστοί ή τα όργανα δε θα λειτουργούν σωστά.

Επειδή ο ρόλος των μιτοχονδρίων είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ζωής, ακόμα και μια ελάχιστη μεταβολή στο μιτοχονδριακό DNA είναι συχνά θανατηφόρα, οπότε δε μεταφέρονται συχνά στις μελλοντικές γενιές. Κατά συνέπεια, το μιτοχονδριακό DNA ενός ατόμου θα είναι αρκετά παρόμοιο με αυτό των μακρινών προγόνων του.

Τα μιτοχονδριακά νοσήματα είναι αρκετά περίπλοκα. Όταν ένα άτομο πάσχει, τα μιτοχόνδρια στα κύτταρα δε παράγουν αρκετή ενέργεια. Κάθε άτομο έχει διαφορετικό συνδυασμό μιτοχονδρίων που λειτουργούν ή δε λειτουργούν μέσα σε κάθε κύτταρο. Ανάλογα από το πόσα κύτταρα επηρεάζονται και από το που βρίσκονται στο σώμα, υπάρχει τεράστια ποικιλία στα συμπτώματα και τη σοβαρότητα της μιτοχονδριακής νόσου.

Τα μέρη του σώματος που επηρεάζονται συνήθως είναι αυτά που έχουν τις υψηλότερες απαιτήσεις ενέργειας, όπως ο εγκέφαλος οι μύες, το ήπαρ, η καρδιά και οι νεφροί.

Δυστυχώς, δεν υπάρχει θεραπεία για τα μιτοχονδριακά νοσήματα προς το παρόν.

Μέχρι τώρα η κοινώς αποδεκτή θεωρία ήταν ότι τα μιτοχόνδρια αναπαράγονται και μετακινούνται από τη μια γενιά στην άλλη αποκλειστικά μέσω της μητέρας

Δεν είναι σαφές γιατί το mtDNA της μαμάς κερδίζει συνήθως στη γενετική μάχη αλλά στοιχεία υποδεικνύουν ότι, κατά τη γονιμοποίηση, από τα μιτοχόνδρια του σπέρματος εισέρχονται ελάχιστα ή και κανένα. Ακόμα και εάν καταφέρουν να εισχωρήσουν κάποια μιτοχόνδρια, το πατρικό μιτοχονδριακό DNA καταστρέφεται λίγο μετά τη σύλληψη.

Σε απλά ζωικά μοντέλα, όπως ο νηματώδης σκώληκας Caenorhabditis elegans, τα σπερματοζωάρια περιέχουν ένα γονίδιο αυτοκαταστροφής που σηματοδοτεί τη καταστροφή των μιτοχονδριακών γενετικών πληροφοριών. Αν αποσιωπήσουμε αυτό το γονίδιο, το πατρικό mtDNA ζει περισσότερο χρόνο στο έμβρυο. Όμως, τα έμβρυα αυτά έχουν υψηλότερα ποσοστά θανάτου.

Κανείς δεν είναι σίγουρος αν αυτό συμβαίνει και στους ανθρώπους, αλλά το πατρικό mtDNA γενικά είναι σπάνιο να εμφανιστεί στους ανθρώπους.

Κάποιοι μπαμπάδες παραβίασαν τους γενετικούς κανόνες

Μία νέα μελέτη παρατήρησε ότι σε σπάνιες περιπτώσεις μερικά πατρικά μιτοχόνδρια πέτυχαν όχι μόνο να εισχωρήσουν στο ωάριο αλλά και να μην καταστραφούν.

Υπήρξαν μάλιστα και ενδείξεις ότι, καθώς το γονιμοποιημένο ωάριο αναπτύχθηκε σε έμβρυο, το πατρικό mtDNA μπορούσε όχι απλά να συνυπάρχει με το μητρικό mtDNA αλλά αντιγράφηκε και σε μεγαλύτερο ποσοστό από της μητέρας.

Δύο επιστημονικές ομάδες συνεργάστηκα και εντόπισαν οικογένειες με πατρικό mtDNA

Όταν ο Paldeep Atwal, ειδικός μιτοχονδριακών νοσημάτων, εξέτασε το DNA μιας γυναίκας που εισήλθε στην κλινική Mayo στο Τζάκσονβιλ της Φλόριντα, προς έκπληξή του, παρατήρησε ότι τα κύτταρα της γυναίκας περιείχαν δύο τύπους μιτοχονδριακού DNA, «μερικά από τη μητέρα της και μερικά «από αλλού»», λέει ο Atwal.

Αρχικά ο Atwal και οι συνεργάτες του νόμιζαν ότι το αποτέλεσμα ήταν λάθος οπότε επανέλαβαν την εξέταση. Το ίδιο αποτέλεσμα ήρθε και τη δεύτερη φορά. Τότε άρχισαν να υποπτεύονται ότι κάτι περίεργο συμβαίνει.

Αποφάσισαν να εξετάσουν το DNA των δύο γονιών της γυναίκας. Διαπίστωσαν ότι η μυστηριώδης πηγή του μιτοχονδριακού DNA ήταν ο πατέρας της. Μιτοχόνδρια από τον πατέρα του είχε κληρονομήσει και ο αδελφός της γυναίκας. «Σκεφτήκαμε:« Τι στο καλό συμβαίνει εδώ; »λέει ο Atwal.

Έτσι, ο Atwal ήρθε σε επαφή με τον Taosheng Huang, διευθυντή του Νοσοκομείου Παίδων του Cincinnati, ο οποίος εξειδικεύεται στις μιτοχονδριακές ασθένειες.

Ο Taosheng Huang είχε και εκείνος εξετάσει μία περίπτωση ενός τετράχρονου αγοριού με περίεργο γενετικό προφίλ.

Συγκεκριμένα, το τετράχρονο αγόρι εισήλθε στο νοσοκομείο του Cincinnati (CCHMC) με κόπωση, μυϊκό πόνο και μυϊκή αδυναμία. Οι γιατροί του υποψιαζόταν κάποια μιτοχονδριακή νόσο.

Όταν αλληλούχισαν το μιτοχονδριακό DNA του παιδιού, δεν βρήκαν καμία παθογόνα μετάλλαξη, παρατήρησαν όμως κάτι πολύ περίεργο: Φαινόταν το παιδί σαν να είχε δύο σειρές μιτοχονδριακού DNA.

Ήταν τότε που ο Taosheng Huang υποπτεύτηκε ότι κάτι δεν πήγαινε καλά.

Θέλοντας να εντοπίσει την αιτία ανέλυσαν το mtDNA και άλλων μελών της οικογένειας και τότε βρήκε κάτι που τον εξέπληξε: η μητέρα του αγοριού είχε κληρονομήσει το μιτοχονδριακό DNA τόσο από τον πατέρα της όσο και από τη μητέρα της (τον παππού και τη γιαγιά του αγοριού) και είχε περάσει αυτό το μικτό σύνολο μιτοχονδριακού DNA στον γιο της.

Διαπίστωσαν επίσης ότι τουλάχιστον ακόμα τέσσερα άτομα από διαφορετικές γενιές της οικογένειας του αγοριού είχαν σημαντικά επίπεδα διπλού mtDNA.

Μαζί οι δύο ομάδες θέλησαν να διερευνήσουν και άλλα ασυνήθιστα αποτελέσματα γενετικών εξετάσεων. Συνολικά, εντόπισαν 17 άτομα από τρεις διαφορετικές οικογένειες που είχαν κληρονομήσει μεγάλο ποσοστό mtDNA από τον πατέρα τους, μεταξύ 24% και 76%.

"Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν σαφώς την αμφίδρομη μετάδοση του μιτοχονδριακού DNA στους ανθρώπους, σε αντίθεση με το κεντρικό δόγμα της μιτοχονδριακής κληρονομικότητας", έγραψαν οι ερευνητές.

Το γεγονός ότι οι δύο επιστημονικές ομάδες εντόπισαν το φαινόμενο σε πολλαπλές γενιές σε πολλές οικογένειες δείχνει ότι αυτό δεν είναι απλά σύμπτωση. Αν και δεν γνωρίζουν ακόμα ούτε το λόγο ούτε τον τρόπο της γενετικής μεταφοράς, τα αποτελέσματα προσφέρουν μια νέα οδό έρευνας, που πολλοί δεν πίστευαν ότι μπορεί να υπάρξει.

Υπάρχουν εξαιρέσεις στον κανόνα

Το φαινόμενο της μεταβίβασης των μιτοχονδρίων από πατέρα σε παιδί έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν σε φυτά και σε μικρό αριθμό ζώων, για παράδειγμα, σε σπάνιες περιπτώσεις τα αρσενικά ποντίκια και πρόβατα μπορούν να μεταβιβάσουν το μιτοχονδριακό DNA τους.

Αντίθετα, στους ανθρώπους είναι πιθανώς σπάνια. Είχε καταγραφεί μόνο μια περίπτωση το 2002. Οι ερευνητές τότε ανέφεραν στο New England Journal of Medicine ότι ένας άντρας ασθενής βρέθηκε να έχει mtDNA από τη μητέρα και τον πατέρα του στα κύτταρα των σκελετικών μυών. Ωστόσο, το γεγονός ότι το mtDNA του άνδρα στους άλλους ιστούς ήταν αποκλειστικά μητρικής προέλευσης και επειδή από τότε δεν προέκυψαν άλλες περιπτώσεις, πολλοί ειδικοί αμφισβήτησαν κατά πόσο τα ευρήματα ήταν έγκυρα ή το αποτέλεσμα μόλυνσης.

Ενδεχομένως στο πληθυσμό να φέρουν πατρικά μιτοχόνδρια περισσότεροι άνθρωποι από ότι πιστεύουμε

Τα ευρήματα εγείρουν επίσης το ερώτημα «πόσες άλλες περιπτώσεις ατόμων με διπλή κληρονομικότητα μιτοχονδριακού DNA έχουν απορριφθεί ως τεχνικά λάθη», ανέφεραν οι ερευνητές. Η τεχνολογική πρόοδος, έκανε δυνατή τη φθηνότερη και πιο εμπεριστατωμένη ανάλυση του DNA. Επομένως, είναι πιθανό ότι τώρα θα αναφερθούν όλο και περισσότερες περιπτώσεις.

Προς το παρόν, οι συνέπειες της κληρονόμησης των μιτοχονδρίων και από τους δύο γονείς δεν είναι γνωστές

Οι ερευνητές δεν μπορούν ακόμη να πούνε γιατί το πατρικό mtDNA δεν καταστρέφεται σε μερικά άτομα. Πρέπει να γίνουν πρόσθετες και πιο σύνθετες μελέτες. Αν επιβεβαιωθούν θα ανατραπεί η επιστημονική κατανόηση αυτής τη θεμελιώδους «αλήθειας» για την μιτοχονδριακή κληρονομικότητα. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την πολυπλοκότητα των μιτοχονδριακών ασθενειών αλλάζοντας σημαντικά την πορεία στο τομέα της γενετικής συμβουλευτικής και στο γενετικό πεδίο γενικά.

--

Πηγές:

  1. Luo, S., Valencia, C. A., Zhang, J., Lee, N. C., Slone, J., Gui, B., ... & Chen, S. M. (2018). Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201810946.
  2. Ladoukakis, E. D., & Zouros, E. (2017). Evolution and inheritance of animal mitochondrial DNA: rules and exceptions. Journal of Biological Research-Thessaloniki24(1), 2.
  3. Marlow, F. L. (2017). Mitochondrial matters: mitochondrial bottlenecks, self-assembling structures, and entrapment in the female germline. Stem cell research21, 178-186.
  4. Kchouk, M., Gibrat, J. F., & Elloumi, M. (2017). Generations of sequencing technologies: From first to next generation. Biology and Medicine9(3).
  5. Zhou, Q., Li, H., Li, H., Nakagawa, A., Lin, J. L., Lee, E. S., ... & Mitani, S. (2016). Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization. Science353(6297), 394-399.
  6. Breton, S., & Stewart, D. T. (2015). Atypical mitochondrial inheritance patterns in eukaryotes. Genome58(10), 423-431.
  7. Gupta, A., Bhardwaj, A., Sharma, P., & Pal, Y. (2015). Mitochondrial DNA-a tool for phylogenetic and biodiversity search in equines. Journal of Biodiversity & Endangered Species2015.
  8. Amaral, A. R., Lovewell, G., Coelho, M. M., Amato, G., & Rosenbaum, H. C. (2014). Hybrid speciation in a marine mammal: the clymene dolphin (Stenella clymene). PloS one9(1), e83645.
  9. Politi, Y., Gal, L., Kalifa, Y., Ravid, L., Elazar, Z., & Arama, E. (2014). Paternal mitochondrial destruction after fertilization is mediated by a common endocytic and autophagic pathway in Drosophila. Developmental cell29(3), 305-320.
  10. Schwartz, M., & Vissing, J. (2002). Paternal inheritance of mitochondrial DNA. New England Journal of Medicine347(8), 576-580.
  11. Gyllensten, U., Wharton, D., Josefsson, A., & Wilson, A. C. (1991). Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice. Nature352(6332), 255-257.
  12. Rice University. (2010, August 17). 'Mitochondrial Eve': Mother of all humans lived 200,000 years ago. 
  13. med.stanford.edu

Χρησιμοποιούμε cookies που μας επιτρέπουν μια σειρά από λειτουργίες που ενισχύουν την εμπειρία σας στην ιστοσελίδα μας.
Κάνοντας κλικ στο "Συμφωνώ" ή συνεχίζοντας να χρησιμοποιείται την ιστοσελίδα bioximikos.gr συμφωνείτε με τη χρήση cookies.