En ny vej til evolution:Hvordan DNA fra vores mitokondrier arbejder sig ind i vores genomer

Forskere har vist, at i én ud af hver 4.000 fødsler indsætter noget af den genetiske kode fra vores mitokondrier – de 'batterier', der driver vores celler – sig selv i vores DNA, hvilket afslører en overraskende ny indsigt i, hvordan mennesker udvikler sig.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Nature , viser forskere ved University of Cambridge og Queen Mary University of London, at mitokondrie-DNA også forekommer i noget kræft-DNA, hvilket tyder på, at det fungerer som et plaster, der forsøger at reparere skader på vores genetiske kode.

Mitokondrier er bittesmå 'organeller', der sidder i vores celler, hvor de fungerer som batterier, der giver energi i form af molekylet ATP til at drive cellerne. Hver mitokondrie har sit eget DNA – mitokondrie-DNA – som er forskelligt fra resten af ​​det menneskelige genom, som består af nuklear DNA.

Mitokondrielt DNA videregives ned mod moderlinjen - det vil sige, at vi arver det fra vores mødre, ikke vores fædre. Men en undersøgelse offentliggjort i PNAS i 2018 fra forskere ved Cincinnati Children's Hospital Medical Center i USA rapporterede beviser, der tydede på, at noget mitokondrielt DNA var blevet videregivet ned ad den faderlige linje.

For at undersøge disse påstande kiggede Cambridge-teamet på DNA'et fra over 11.000 familier rekrutteret til Genomics Englands 100.000 Genomes Project og søgte efter mønstre, der lignede faderlig arv. Cambridge-teamet fandt mitokondrie-DNA-'inserts' i kerne-DNA fra nogle børn, som ikke var til stede i deres forældres. Dette betød, at det amerikanske hold sandsynligvis havde nået de forkerte konklusioner:det, de havde observeret, var ikke mitokondrie-DNA, der var arvet af faderen, men derimod disse inserts.

Nu, hvor holdet udvidede dette arbejde til over 66.000 mennesker, viste holdet, at de nye indsættelser faktisk sker hele tiden og viser en ny måde, vores genom udvikler sig på.

Professor Patrick Chinnery, fra Medical Research Council Mitochondrial Biology Unit og Department of Clinical Neurosciences ved University of Cambridge, forklarede:"For milliarder af år siden optog en primitiv dyrecelle en bakterie, der blev det, vi nu kalder mitokondrier. Disse leverer energi. til cellen for at tillade den at fungere normalt, mens den fjerner ilt, som er giftigt ved høje niveauer. Over tid er stykker af disse primitive mitokondrier gået ind i cellekernen, hvilket gør det muligt for deres genomer at tale med hinanden.

"Det hele mentes at være sket for meget lang tid siden, mest før vi overhovedet havde dannet os som en art, men hvad vi har opdaget er, at det ikke er sandt. Vi kan se dette ske lige nu med dele af vores mitokondriegenetik. kode, der overføres til det nukleare genom på en målbar måde."

Holdet vurderer, at mitokondrielt DNA overføres til nuklear DNA i omkring én ud af hver 4.000 fødsler. Hvis denne person har deres egne børn, vil de give disse indlæg videre - teamet fandt ud af, at de fleste af os bærer fem af de nye indlæg, og en ud af syv af os (14 %) bærer meget nyere. Når indsatsen først er på plads, kan det af og til føre til meget sjældne sygdomme, herunder en sjælden genetisk form for kræft.

Det er ikke klart præcist, hvordan mitokondrie-DNA'et indsætter sig selv - om det gør det direkte eller via et mellemled, såsom RNA - men professor Chinnery siger, at det sandsynligvis vil forekomme i moderens ægceller.

Da holdet så på sekvenser taget fra 12.500 tumorprøver, fandt de ud af, at mitokondrie-DNA var endnu mere almindeligt i tumor-DNA, hvilket opstod i omkring én ud af 1.000 kræftformer, og i nogle tilfælde er mitokondrie-DNA-inserts faktisk årsager kræften.

"Vores nukleare genetiske kode er i stykker og bliver repareret hele tiden," sagde professor Chinnery. "Mitokondrielt DNA ser ud til at virke næsten som et plaster, et klæbeplaster, der hjælper den nukleare genetiske kode med at reparere sig selv. Og nogle gange virker dette, men i sjældne tilfælde kan det gøre tingene værre eller endda udløse udviklingen af ​​tumorer."

Mere end halvdelen (58%) af indsættelserne var i områder af genomet, der koder for proteiner. I de fleste tilfælde genkender kroppen det invaderende mitokondrielle DNA og dæmper det i en proces kendt som methylering, hvorved et molekyle binder sig til indsatsen og slukker for den. En lignende proces opstår, når vira formår at indsætte sig selv i vores DNA. Denne metode til lyddæmpning er dog ikke perfekt, da nogle af de mitokondrielle DNA-inserts fortsætter med at blive kopieret og bevæger sig rundt i selve kernen.

Holdet ledte efter beviser for, at det omvendte kunne ske - at mitokondrielt DNA absorberer dele af vores nukleare DNA - men fandt ingen. Der er sandsynligvis flere grunde til, at dette skulle være tilfældet.

For det første har celler kun to kopier af kerne-DNA, men tusindvis af kopier af mitokondrielt DNA, så chancerne for, at mitokondrielt DNA bliver brudt og passerer ind i kernen, er meget større end omvendt.

For det andet er DNA'et i mitokondrier pakket inde i to membraner, og der er ingen huller i membranen, så det ville være svært for nuklear DNA at komme ind. Hvis mitokondrielt DNA derimod lykkes at komme ud, vil huller i membranen, der omgiver nuklear DNA ville tillade det at passere igennem med relativ lethed.

Professor Sir Mark Caulfield, vicedirektør for sundhed ved Queen Mary University of London, sagde:"Jeg er så glad for, at 100.000 Genomes Project har låst op for det dynamiske samspil mellem mitokondrie-DNA og vores genom i cellens kerne. Dette definerer en ny rolle i DNA-reparation, men også en, der lejlighedsvis kan udløse sjælden sygdom eller endda malignitet." + Udforsk yderligere

Undersøgelse i mus viser potentiale for genredigering for at tackle mitokondrielle lidelser