- Fusie van gameten en overdracht van mitochondriën
- Biparentale overerving
- Toepassingen
- Pathologieën en preventie
- Referenties
De mitochondriale overerving is de overdracht van mitochondriaal DNA via het organel dat "mitochondriën" wordt genoemd en vindt plaats van ouder op zijn nakomelingen. Overerving vindt doorgaans alleen plaats van maternale mitochondriën, op een "matrilineaire" manier.
Shiyu Luo en collega's publiceerden echter in januari 2019 een artikel waarin ze bewijs vonden dat in zeldzame gevallen mitochondriaal DNA van beide ouders kan worden geërfd.
Mendeliaanse overervingspatronen versus mitochondriale overervingspatronen (Bron: BQmUB2011167 via Wikimedia Commons)
Het meeste genetisch materiaal in eukaryote cellen bevindt zich in de celkern. Een klein deel van het DNA bevindt zich echter in de mitochondriën.
Het genetische materiaal in dit organel staat bekend als mitochondriaal DNA, dat is georganiseerd in een cirkelvormig chromosoom, dat bij zoogdieren tussen de 16.000 en 16.800 basenparen lang is.
Er is waargenomen dat mutaties in mitochondriaal DNA ernstige ziekten bij individuen veroorzaken en in de meeste gevallen worden de ziekten alleen van moeder op kind overgeërfd, wanneer maternale mitochondriën mutaties in hun DNA hebben.
Alle mitochondriën van de nakomelingen zijn afkomstig van een kleine groep mitochondriën die aanwezig zijn in de zaadknop wanneer het moment van zygootvorming plaatsvindt (fusie van eicel en sperma), daarom worden in de meeste gevallen alleen de mitochondriën van de foetus geërfd van zijn moeder.
Fusie van gameten en overdracht van mitochondriën
Op het moment van bevruchting van de eicel (vrouwelijke gameet) draagt het sperma of de mannelijke gameet enkele mitochondriën bij aan het zich ontwikkelende embryo.
Deze bijdrage vindt plaats op het moment van contact van het sperma met het plasmamembraan van de eicel, aangezien beide membranen samensmelten en het sperma het cytoplasma van de eicel binnendringt en daar de interne inhoud leegmaakt.
In de meeste taxa van het dierenrijk is er een "neiging" tot overerving in een klonale of uniparentale vorm van mitochondriën en mitochondriaal DNA (bijna altijd met betrekking tot de moeders). In sommige dierenfamilies zijn er vernietigingsmechanismen voor de vaderlijke mitochondriën die worden overgedragen door spermacellen.
De eicel bij zoogdieren heeft honderden mitochondriën, die ongeveer 1/3 van het totale DNA vertegenwoordigen dat deze geslachtscellen hebben; terwijl het sperma er maar een paar heeft in een tussengebied tussen het flagellum en het hoofd.
Menselijke eieren bevatten meer dan 100.000 kopieën van mitochondriaal DNA; Ondertussen heeft het sperma slechts ongeveer 100, maar de hoeveelheid varieert afhankelijk van de soort in kwestie.
Dit maakt het duidelijk dat de overgrote meerderheid van de mitochondriën in de cellen van de nakomelingen van moeder zijn overgedragen. Daarom, als de mitochondriën van de eitjes schadelijke of schadelijke mutaties vertonen, zullen deze mutaties worden overgedragen op hun nakomelingen.
Biparentale overerving
De wetenschapper Hutchinson was in 1974 een van de eersten die bevestigde dat de overerving van mitochondriën op een strikt moederlijke (matrilineaire) manier plaatsvond. Aan het begin van de 20e eeuw merkten White en collega's echter op dat bij sommige mosselen de mitochondriale overerving niet strikt moederlijk was.
Later, in 2008, werd deze waarneming bij mosselen aangeduid als een soort "heteroplasmie", wat verwijst naar de "lekkage" van mitochondriën en paternaal mitochondriaal DNA in het nageslacht.
Veel meer observaties identificeerden de aanwezigheid van mitochondriën van de vader en mitochondriaal DNA in mosselen als natuurlijk.
Shiyu Luo en collega's identificeerden drie mensen uit drie menselijke families met ongebruikelijke mitochondriale DNA-heteroplasmie. Deze heteroplasmieën konden niet worden verklaard door de afstamming van het mitochondriale DNA van de moeder, dus voerden deze auteurs sequencing van de volgende generatie uit van het mitochondriale DNA van beide ouders en beide grootouders van de drie mensen.
Op deze manier werd de ongebruikelijke heteroplasmie geïdentificeerd als een product van de bijdrage van mitochondriaal DNA van beide grootouders, de grootmoeder en de grootvader. Bovendien identificeerden de auteurs twee extra niet-verwante families die biparentale mitochondriale transmissie vertonen.
Dit onderzoek was het eerste rapport over mitochondriale overerving op biparentale wijze bij mensen.
Luo et al. Suggereren dat heteroplasmie als gevolg van de overdracht van mitochondriaal DNA van de vader wordt gemist bij diagnoses wanneer het geen ziekte veroorzaakt bij de personen die het dragen.
Toepassingen
Mitochondriaal DNA werd in 1979 geïntroduceerd in populatiegenetica, fylogenie en evolutionaire studies door Dr. John C. Avise en vandaag is dit een van de krachtigste instrumenten voor het bestuderen van populatiegenetica van allemaal. levende wezens.
Door de genealogie van menselijk mitochondriaal DNA te traceren, is een enorme hoeveelheid genetische studies uitgevoerd om de oorsprong van de mensheid te achterhalen.
Zelfs, gebaseerd op maternaal mitochondriaal DNA, is vastgesteld dat alle mensen in de wereld kunnen worden ingedeeld in ongeveer 40 verschillende groepen van mitochondriale haplotypes, nauw verwant aan verschillende geografische gebieden van de wereld.
Veel commerciële huizen zoals "Oxford Ancestor" bieden aan om alle voorouders van mensen te traceren met behulp van de overerving van mitochondriaal DNA.
De oprichter van de Oxford Ancestor, Bryan Sykes, gebruikte mitochondriaal DNA om alle Europeanen in clans te classificeren die waren opgericht door de "Seven Daughters of Eve". Dit is de titel die Sykes toekende aan een boek dat hij schreef om de oorsprong van alle Europeanen te traceren.
In zijn boek volgt Bryan Sykes de mitochondriale erfenis van alle Europese burgers door de sequentiebepaling van het mitochondriale DNA van duizenden mensen, waarbij de oorsprong van alle Europeanen wordt gelokaliseerd bij zeven vrouwen die bestonden vóór de laatste ijstijd, 45.000 jaar geleden.
Pathologieën en preventie
Schadelijke mutaties in mitochondriale DNA-genen veroorzaken meerdere ziekten op systemisch niveau. Deze mutaties kunnen worden overgedragen door mitochondriale overerving via de moeder en, zelden, de vader.
Een mutatie in het mitochondriaal DNA kan problemen veroorzaken door de afwezigheid of beschadiging van de enzymen die betrokken zijn bij cellulaire ademhaling. Deze schade leidt tot een vermindering van de ATP-toevoer van de cellen, waardoor de systemen van het lichaam defect raken.
In veel gevallen erven mensen echter verschillende soorten mitochondriën van hun moeders, sommige functioneel en andere defect; daarom kunnen mitochondriën met functionele genen de storing van defecte mitochondriën compenseren.
Vorm van overdracht van mitochondriale pathologieën via de «matrilineaire» route (mitochondriale overerving) (Bron: ghr.nlm.nih.gov via Wikimedia Commons)
Momenteel wordt er onderzoek gedaan om celkernen over te dragen waarmee vrouwen die lijden aan ziekten die worden veroorzaakt door schadelijke mutaties in de mitochondriën, gezonde kinderen kunnen krijgen.
De methode om kernen over te brengen bestaat uit het extraheren van de celkern uit de eicel van de moeder met de aangetaste mitochondriën en deze in te brengen in normale gedoneerde eitjes, waaruit de celkern eerder is geëxtraheerd.
Vervolgens kan de eicel in vitro worden bevrucht door sperma van de partner van de patiënt. Deze techniek heeft tot controverse geleid omdat de verwekte foetussen het DNA van drie verschillende ouders zouden hebben.
Referenties
- Adam, MP, Ardinger, HH, Pagon, RA, Wallace, SE, Bean, LJH, Stephens, K., & Amemiya, A. Overzicht van mitochondriale aandoeningen - GeneReviews®.
- Aiello, LB en Chiatti, BD (2017). Inleiding in genetica en genomica, artikel 4-Overervingspatronen. Biologisch onderzoek voor verpleging, 19 (4), 465-472.
- Avise, JC, Giblin-Davidson, C., Laerm, J., Patton, JC, & Lansman, RA (1979). Mitochondriale DNA-klonen en matriarchale fylogenie binnen en tussen geografische populaties van de pocket gopher, Geomys pinetis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 76 (12), 6694-6698.
- Hadjivasiliou, Z., Lane, N., Seymour, RM, & Pomiankowski, A. (2013). Dynamiek van mitochondriale overerving in de evolutie van binaire paringstypes en twee geslachten. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 280 (1769), 20131920.
- HUTCHISON III, CA, Newbold, JE, Potter, SS, & Edgell, MH (1974). Maternale overerving van mitochondriaal DNA van zoogdieren. Nature, 251 (5475), 536.
- McWilliams, TG en Suomalainen, A. (2019). Het lot van de mitochondriën van een vader. Nature, 565 (7739), 296-297.
- Sutovsky, P. (2019). Cellulaire en moleculaire basis van mitochondriale overerving. Springer.