Учёные открыли новый механизм передачи материнского генетического материала

Исследователи из Национального центра кардиоваскулярных исследований (CNIC) установили динамику передачи митохондриальной ДНК от матерей к потомству. Исследование опубликовано в Cell Metabolism.

Используя экспериментальные модели мышей, команда под руководством доктора Хосе Антонио Энрикеса обнаружила, что когда клетки матери содержат более одного варианта митохондриальной ДНК, генетическая передача от матери к потомству контролируется двумя механизмами: сначала во время развития яйцеклетки (ооцита), а затем на ранних стадиях эмбрионального развития. Учёные объяснили, что «этот контроль направлен на предотвращение совместного присутствия различных типов митохондриальных ДНК в новом организме», что может привести к развитию митохондриальных заболеваний.

Новое исследование важно по двум причинам. Во-первых, как объяснила доктор Латорре-Пеллисер, «понимание механизмов, регулирующих сегрегацию митохондриального генома, необходимо для разработки стратегий предотвращения передачи от матери к ребёнку мутировавшей митохондриальной ДНК, вызывающей митохондриальные заболевания».

Кроме того, как объяснил доктор Лечуга-Вьеко, новые данные «также помогут нам разработать способы предотвращения совместного присутствия разных типов митохондриальной ДНК в одной клетке как нежелательного результата медицинских вмешательств. Это явление, известное как гетероплазмия, является потенциальным риском при терапии замещения митохондрий».

Из более чем 20 000 человеческих генов 37 находятся в митохондриях, вне клеточного ядра. Митохондрии — это небольшие органеллы, функционирующие как энергетические фабрики. Этот небольшой геном, наследуемый исключительно от матерей, называется митохондриальной ДНК. Как и её ядерный аналог, митохондриальный геном демонстрирует генетическую изменчивость между популяциями как у мышей, так и у людей.

Митохондриальная ДНК

В отличие от ядерной ДНК, митохондриальная ДНК присутствует в нескольких копиях в каждой клетке, имеет исключительно материнское наследование и не подвергается рекомбинации при передаче из поколения в поколение. Тем не менее, митохондриальная ДНК имеет высокую частоту мутаций, что может генерировать различные непатогенные популяционные варианты митохондриального генома, называемые гаплотипами. Обычно все копии митохондриальной ДНК у особи практически идентичны и происходят от последовательного копирования копий, унаследованных от матери.

Несмотря на это, доктор Энрикес говорит: «Нередко смесь вариантов митохондриальной ДНК сосуществует в одной клетке, ситуация, известная как гетероплазмия. Однако в природе этому явлению противодействуют несколько механизмов».

Во-первых, «отцовская митохондриальная ДНК в сперматозоиде активно разрушается после оплодотворения ооцита. Более того, развитие будущих ооцитов создает «бутылочное горлышко», которое снижает возможность гетероплазмии. В редких случаях эти процессы могут дать сбой, производя гетероплазматических особей».

Гетероплазмия также может быть вызвана новыми медицинскими технологиями замещения митохондрий, и недавние исследования пациентов показывают, что очень низкие уровни гетероплазмии могут быть более распространены, чем считалось ранее.

Технология замещения митохондрий имеет потенциал для предотвращения передачи заболеваний, связанных с митохондриальной ДНК. Этот терапевтический подход, направленный на предотвращение передачи патологических мутаций детям, включает замену митохондрий матери митохондриями здорового донора. Исследовательская группа подчеркнула, что применение этой технологии, ассоциируемой в массовом сознании с «детьми от трёх родителей», требует глубокого понимания физиологической значимости изменчивости митохондриальной ДНК.

Исследование под руководством доктора Энрикеса предоставляет чрезвычайно ценную информацию в этом отношении. Исследователи использовали мышей, у которых два митохондриальных гаплотипа стабильно сосуществуют в каждой клетке, и эта ситуация передаётся из поколения в поколение. Используя этих мышей, команда смогла изучить отбор непатогенных вариантов митохондриальной ДНК во время материнского наследования.

«Мы увидели, что во время созревания ооцита отбирается тот или иной вариант митохондриальной ДНК. И мы также обнаружили второй раунд отбора позже, во время раннего эмбрионального развития. Эти результаты раскрывают сложные механизмы, лежащие в основе решения выбрать тот или иной митохондриальный геном, и причину этого выбора».

Исследование также показывает, что гетероплазмия может изменять метаболизм эмбриональных клеток, вызывая повышенную выработку митохондриями активных форм кислорода. Это приводит к изменениям в морфологии внутренней митохондриальной мембраны и в молекулярном аппарате производства энергии.