MITOCHONDRIALE VERERBUNG: ANWENDUNGEN, PATHOLOGIEN, PRÄVENTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die mitochondriale Vererbung ist die Übertragung von mitochondrialer DNA durch die als "Mitochondrien" bezeichnete Organelle und erfolgt vom Elternteil zu seinen Nachkommen. Typischerweise erfolgt die Vererbung nur von mütterlichen Mitochondrien auf "matrilineare" Weise.

Shiyu Luo und Kollegen veröffentlichten jedoch im Januar 2019 einen Artikel, in dem sie Beweise dafür fanden, dass in seltenen Fällen mitochondriale DNA von beiden Elternteilen geerbt werden kann.

Mendelsche Vererbungsmuster im Vergleich zu mitochondrialen Vererbungsmustern (Quelle: BQmUB2011167 über Wikimedia Commons)

Das meiste genetische Material in eukaryotischen Zellen befindet sich im Zellkern. Ein kleiner Teil der DNA befindet sich jedoch in den Mitochondrien.

Das genetische Material in dieser Organelle ist als mitochondriale DNA bekannt, die in einem kreisförmigen Chromosom organisiert ist, das bei Säugetieren zwischen 16.000 und 16.800 Basenpaare lang ist.

Es wurde beobachtet, dass Mutationen in der mitochondrialen DNA bei Individuen schwere Krankheiten verursachen, und in den meisten Fällen werden die Krankheiten nur von Mutter zu Kind vererbt, wenn mütterliche Mitochondrien Mutationen in ihrer DNA aufweisen.

Alle Mitochondrien der Nachkommen stammen aus einer kleinen Gruppe von Mitochondrien, die in der Eizelle vorhanden sind, wenn der Moment der Bildung der Zygote eintritt (Fusion von Eizelle und Sperma), daher werden in den meisten Fällen die Mitochondrien des Fötus nur vererbt von seiner Mutter.

Fusion von Gameten und Transfer von Mitochondrien

Zum Zeitpunkt der Befruchtung der Eizelle (weiblicher Gamet) trägt das Sperma oder der männliche Gamete einige Mitochondrien zum sich entwickelnden Embryo bei.

Dieser Beitrag erfolgt zum Zeitpunkt des Kontakts des Spermas mit der Plasmamembran der Eizelle, da beide Membranen verschmelzen und das Sperma in das Zytoplasma der Eizelle eintritt und dort seinen inneren Inhalt entleert.

In den meisten Taxa des Tierreichs gibt es eine "Tendenz" zur Vererbung in einer klonalen oder uniparentalen Form von Mitochondrien und mitochondrialer DNA (fast immer in Bezug auf Mütter). In einigen Tierfamilien gibt es Zerstörungsmechanismen für die väterlichen Mitochondrien, die von Spermien übertragen werden.

Die Eizelle bei Säugetieren hat Hunderte von Mitochondrien, die etwa 1/3 der gesamten DNA dieser Geschlechtszellen ausmachen. während das Sperma nur wenige in einem Zwischenbereich zwischen Flagellum und Kopf hat.

Menschliche Eier haben mehr als 100.000 Kopien mitochondrialer DNA; Inzwischen hat das Sperma nur etwa 100, aber die Menge variiert je nach Art.

Dies macht deutlich, dass die überwiegende Mehrheit der Mitochondrien in den Zellen der Nachkommen mütterlich übertragen wird. Wenn die Mitochondrien der Eizellen schädliche oder schädliche Mutationen aufweisen, werden diese Mutationen daher auf ihre Nachkommen übertragen.

Biparentale Vererbung

Der Wissenschaftler Hutchinson war 1974 einer der ersten, der bestätigte, dass die Vererbung von Mitochondrien streng mütterlich (matrilinear) erfolgte. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellten White und Kollegen jedoch fest, dass bei einigen Muscheln das mitochondriale Erbe nicht ausschließlich mütterlich war.

Später, im Jahr 2008, wurde diese Beobachtung bei Muscheln als eine Art "Heteroplasmie" bezeichnet, die sich auf das "Austreten" von Mitochondrien und väterlicher mitochondrialer DNA in Nachkommen bezieht.

Viele weitere Beobachtungen identifizierten das Vorhandensein von väterlichen Mitochondrien und mitochondrialer DNA in Muscheln als natürlich.

Shiyu Luo und Kollegen identifizierten drei Personen aus drei menschlichen Familien mit ungewöhnlicher mitochondrialer DNA-Heteroplasmie. Diese Heteroplasmien konnten nicht durch den Abstieg der mütterlichen mitochondrialen DNA erklärt werden, daher führten diese Autoren eine Sequenzierung der mitochondrialen DNA der nächsten Generation beider Elternteile und beider Großeltern der drei Personen durch.

Auf diese Weise wurde die ungewöhnliche Heteroplasmie als Produkt des Beitrags mitochondrialer DNA sowohl von Großeltern als auch von Großmutter und Großvater identifiziert. Darüber hinaus identifizierten die Autoren zwei weitere nicht verwandte Familien, die eine biparentale mitochondriale Übertragung aufweisen.

Diese Forschung war der erste Bericht über die biparentale Vererbung von Mitochondrien beim Menschen.

Luo et al. Schlagen vor, dass Heteroplasmie aufgrund der väterlichen mitochondrialen DNA-Übertragung bei Diagnosen übersehen wird, wenn sie bei den Personen, die sie tragen, keine Krankheit verursacht.

Anwendungen

Mitochondriale DNA wurde 1979 von Dr. John C. Avise in Populationsgenetik-, Phylogenie- und Evolutionsstudien eingeführt. Heute ist dies eines der leistungsfähigsten Werkzeuge zur Untersuchung der Populationsgenetik überhaupt Lebewesen.

Durch die Verfolgung der Genealogie menschlicher mitochondrialer DNA wurden immense genetische Studien durchgeführt, um den Ursprung der Menschheit zu bestimmen.

Basierend auf der mitochondrialen DNA der Mutter wurde sogar festgestellt, dass alle Menschen auf der Welt in rund 40 verschiedene Gruppen mitochondrialer Haplotypen eingeteilt werden können, die eng mit verschiedenen geografischen Gebieten der Welt verwandt sind.

Viele Handelshäuser wie "Oxford Ancestor" bieten an, alle Vorfahren von Menschen anhand der Vererbung mitochondrialer DNA aufzuspüren.

Der Gründer von Oxford Ancestor, Bryan Sykes, verwendete mitochondriale DNA, um alle Europäer in Clans zu klassifizieren, die von den "Seven Daughters of Eve" gegründet wurden. Dies ist der Titel, den Sykes einem Buch zuweist, das er geschrieben hat, um die Herkunft aller Europäer zu verfolgen.

In seinem Buch verfolgt Bryan Sykes das mitochondriale Erbe aller europäischen Bürger, indem er die mitochondriale DNA von Tausenden von Menschen sequenziert und den Ursprung aller Europäer bei sieben Frauen lokalisiert, die vor der letzten Eiszeit vor 45.000 Jahren existierten.

Pathologien und Präventionen

Schädliche Mutationen in mitochondrialen DNA-Genen verursachen auf systemischer Ebene mehrere Krankheiten. Diese Mutationen können durch mitochondriale Vererbung durch die Mutter und selten durch den Vater übertragen werden.

Eine Mutation in der mitochondrialen DNA kann Probleme verursachen, da die an der Zellatmung beteiligten Enzyme fehlen oder beschädigt sind. Dieser Schaden führt zu einer Verringerung der ATP-Versorgung der Zellen, was zu Fehlfunktionen der Körpersysteme führt.

In vielen Fällen erben Menschen jedoch verschiedene Arten von Mitochondrien von ihren Müttern, von denen einige funktionsfähig und andere defekt sind. Daher können Mitochondrien mit funktionellen Genen die Fehlfunktion fehlerhafter Mitochondrien kompensieren.

Form der Übertragung mitochondrialer Pathologien über den «matrilinealen» Weg (mitochondriale Vererbung) (Quelle: ghr.nlm.nih.gov über Wikimedia Commons)

Derzeit wird an der Übertragung von Zellkernen geforscht, die es Frauen, die an Krankheiten leiden, die durch schädliche Mutationen in den Mitochondrien verursacht werden, ermöglichen, gesunde Kinder zu bekommen.

Die Methode zur Übertragung von Kernen besteht darin, den Zellkern mit den betroffenen Mitochondrien aus der Eizelle der Mutter zu extrahieren und in normale gespendete Eizellen einzufügen, aus denen der Zellkern zuvor extrahiert wurde.

Anschließend kann die Eizelle in vitro mit Sperma vom Partner des Patienten befruchtet werden. Diese Technik hat zu Kontroversen geführt, da die gezeugten Feten die DNA von drei verschiedenen Eltern haben würden.

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