Nowe badania ujawniają, dlaczego mitochondria ojcowskie DNA zostaje wygnany w trakcie rozwoju, potencjalnie torując drogę nowym metodom leczenia zaburzeń mitochondrialnych.
To jedna z podstawowych zasad biologii: DNA otrzymujemy od mamy i taty.
Jednak jeden godny uwagi wyjątek od dziesięcioleci wprawia naukowców w zakłopotanie: większość zwierząt, w tym ludzie, dziedziczy DNA znajdujące się w mitochondriach – centrach energetycznych komórki – wyłącznie od matek, przy czym wszelkie ślady mitochondrialnego genomu ojca ulegają zniszczeniu w momencie, gdy plemnik dołącza do komórki jajowej.
Nowe badanie Uniwersytetu Colorado Boulder opublikowane 4 października w czasopiśmie Postęp nauki rzuca nowe światło na przyczynę takiego stanu rzeczy, pokazując, że gdy proces ten się nie powiedzie, a mitochondria ojcowskie przedostaną się do rozwijającego się zarodka, może to prowadzić do trwałych problemów neurologicznych, behawioralnych i reprodukcyjnych u dorosłych.
Badanie przeprowadzone na glistach dostarcza nowych wskazówek na temat przyczyn niektórych zaburzeń mitochondrialnych, które utrudniają organizmowi wytwarzanie energii i łącznie wpływają na około jedną osobę na 5000. Przedstawia także nowatorskie podejście do potencjalnego zapobiegania im lub leczenia – prostą witaminę znaną jako witamina K2.
„Odkrycia te dostarczają nowych, ważnych wniosków na temat tego, dlaczego mitochondria ojcowskie muszą zostać szybko usunięte na wczesnym etapie rozwoju” – powiedział starszy autor Ding Xue, profesor na Wydziale Biologii Molekularnej, Komórkowej i Rozwojowej (MCDB) na Uniwersytecie Colorado Boulder. „Dają także nową nadzieję w leczeniu chorób ludzkich, które mogą powstać w przypadku zakłócenia tego procesu”.
Kiedy baterie komórkowe się wyczerpują
Mitochondria, często określane jako baterie komórkowe, wytwarzają trifosforan adenozyny (ATP), energię napędzającą praktycznie wszystkie funkcje komórki.
Mitochondria mają swoje własne, odrębne DNA, zazwyczaj przekazywane wyłącznie od matki.
W 2016 roku opublikował Xue jeden z pierwszych artykułów aby wyjaśnić, w jaki sposób mitochondria ojcowskie ulegają zniszczeniu – poprzez wieloaspektowy mechanizm samozniszczenia znany jako „eliminacja mitochondriów ojcowskich (PME)”, proces udokumentowany zarówno u robaków, gryzoni, jak i ludzi.
„To mogłoby być upokarzające, gdyby facet to usłyszał, ale to prawda” – zażartował Xue. „Nasze rzeczy są tak niepożądane, że ewolucja zaprojektowała wiele mechanizmów zapewniających ich usunięcie podczas reprodukcji”.
Niektórzy wysuwają teorię, że po walce z milionami innych plemników o przedostanie się do komórki jajowej, mitochondria plemników ulegają wyczerpaniu i uszkodzeniom genetycznym w sposób, który byłby ewolucyjnie katastrofalny, gdyby został przekazany przyszłym pokoleniom.
Xue i jego zespół postanowili dowiedzieć się, co się dzieje, gdy mitochondria ojcowskie nie ulegają samozniszczeniu.
Studiowali C. elegans, półprzezroczysty robak, który zawiera tylko 1000 komórek, ale rozwija układ nerwowy, jelita, mięśnie i inne tkanki podobne do ludzkich.
Zespołowi nie udało się całkowicie zatrzymać PME w robakach, co świadczy o odporności tego procesu ewolucyjnego. Udało im się jednak opóźnić to o około 10 godzin. Kiedy zrobili to w zapłodnionych jajach, doprowadziło to do znacznej redukcji ATP. Jeśli robaki w ogóle przeżyły, oznaczało to upośledzenie funkcji poznawczych, zmienioną aktywność i trudności w rozmnażaniu się.
Kiedy naukowcy podali robakom witaminę K2 znaną jako MK-4 (najbardziej znaną jako suplement poprawiający zdrowie kości), przywróciła ona normalny poziom ATP w zarodkach oraz poprawiła pamięć, aktywność i reprodukcję u dorosłych robaków.
Nadzieja na mało poznane choroby
Autorzy zauważają, że istnieje tylko kilka udokumentowanych przypadków, w których ojcowskie mitochondrialne DNA mogło zostać znalezione u dorosłych ludzi. Jeden W artykule opisano 28-letniego mężczyznę, który miał problemy z oddychaniem, słabe mięśnie i nie tolerował wysiłku fizycznego. Inny dokumentuje przypadki 17 członków trzech niepowiązanych ze sobą rodzin wielopokoleniowych, u których występowało zmęczenie, bóle mięśni, opóźnienia w mówieniu i objawy neurologiczne.
Konieczne są dalsze badania na większych zwierzętach, ale Xue podejrzewa, że w niektórych przypadkach, podobnie jak w przypadku robaków, samo opóźnienie PME może wywołać trudne do zdiagnozowania choroby u ludzi.
„Jeśli masz problem z ATP, może to mieć wpływ na każdy etap cyklu życia człowieka” – powiedział.
Xue wyobraża sobie dzień, w którym niektóre rodziny, w których występowały zaburzenia mitochondrialne, będą przyjmować witaminę K2 w okresie prenatalnym jako środek zapobiegawczy. To badanie oraz badania trwające w laboratorium mogą również doprowadzić do opracowania nowych sposobów diagnozowania i leczenia zaburzeń mitochondrialnych.
„Istnieje wiele chorób, które są słabo poznane. Nikt tak naprawdę nie wie, co się dzieje. To badanie dostarcza wskazówek” – powiedział Xue.
Odniesienie: „Umiarkowane opóźnienie embrionalne eliminacji mitochondriów u ojca upośledza krycie i funkcje poznawcze oraz zmienia zachowania dorosłych zwierząt”, Hu Zhang, Yunan Zhu i Ding Xue, 4 października 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp8351
Badanie zostało sfinansowane ze środków Narodowe Instytuty Zdrowia.
