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母亲如何将线粒体内的DNA转移给婴儿

长期以来,科学家一直知道,细胞动力室(微小的豆形线粒体)中的DNA仅来自母亲的一侧。现在,CNIC研究人员发表在《细胞代谢》杂志上的一项新研究显示了这种情况的发生。此外,由于某些药物治疗,该研究将有助于防止同一细胞内发生不同类型的线粒体DNA。

母亲如何将线粒体内的DNA转移给婴儿

线粒体DNA与众不同的原因是什么?

线粒体DNA的转移是一个不断变化的过程,导致后代接收母体线粒体DNA。线粒体DNA包含仅存在于线粒体中的37个基因。尽管与人类基因组中的20,000个基因相比,这是一个很小的数目,但线粒体基因仅来自雌性父母。就像细胞核内的其他DNA一样,不同的种群显示其线粒体DNA变异。

线粒体DNA以每个细胞内的多个线粒体的形式存在于每个细胞中。这种DNA的独特之处在于它在世代间的传播过程中没有任何重组变化。相反,在生殖细胞的细胞核中,DNA进行重组以产生新的且本质上不同的亲本基因组拷贝,此后又是孩子DNA的一部分。

但是,线粒体DNA确实发生了突变,这被认为是这种遗传物质的种群间变异的原因。但是,在同一个人中,所有线粒体DNA分子在很大程度上都是相同的,并且都来自存在于胚胎中的母亲线粒体基因的原始副本。

线粒体DNA如何转移到后代?

实验是在实验小鼠中进行的,该小鼠在两种类型的线粒体中的每个细胞内具有两个不同的线粒体DNA拷贝。这可能是可继承的情况。研究小组表明,如果母亲细胞中存在两种或多种类型的线粒体DNA,则可以通过两种方式调节转移。

第一个途径在卵子发育过程中起作用,而第二个途径在前几个细胞发育成胚胎的时期发生。这两种调节机制确保不同类型的线粒体DNA不会在同一个人中发生,这种现象称为异质性。在这种情况下,线粒体无法正常运行。

众所周知,自然界中存在异质性,但正如已经指出的那样,有两种不同的机制对此加以反对。在实验设置中,更多卵细胞或卵母细胞的生产是一个低通量的过程,这本身就减少了异质性的机会。仅在卵母细胞成熟过程中拾取了线粒体变体之一。

而且,在受精后,一旦卵母细胞开始发育成胚胎,父亲的线粒体DNA就会被主动分解,从而确保以后没有任何细胞携带这种遗传物质。

这些发现揭示了决定选择一个或多个线粒体基因组的复杂机制,以及做出这一选择的原因。

但是,现代医学疗法,尤其是线粒体替代疗法,可导致异质性水平低,这表明患者人群中的异质性比迄今认为的更为频繁。这类治疗旨在阻止与疾病相关的线粒体DNA传播给儿童。

在这种情况下,女性父母的线粒体被健康个体的线粒体所替代。研究人员说,这样的孩子被称为“三个父母的孩子”,但不应轻视这项技术。他们强调需要了解为什么人体正常功能需要线粒体DNA的可变性。此外,当存在异质性时,胚胎细胞显示出新陈代谢的变化,这导致形成更高浓度的活性氧。结果是,携带许多参与细胞呼吸作用以及能量产生和存储的酶的线粒体内膜可能会变形。

研究有何重要意义?

通过揭示线粒体DNA与其他基因组分离的方式,它将帮助科学家利用这一知识设计出更好的机制来将突变的线粒体DNA保留在儿童细胞之外。不仅如此,它还将有助于改进预防线粒体替代疗法所导致的异质性的方法。

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