Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare har visat att en del av den genetiska koden från våra mitokondrier – "batterierna" som driver våra celler – vid en av 4 000 födslar infogar sig i vårt DNA, vilket avslöjar en överraskande ny insikt om hur människor utvecklas.
I en studie publicerad idag i Nature , visar forskare vid University of Cambridge och Queen Mary University of London att mitokondrie-DNA också förekommer i vissa cancer-DNA, vilket tyder på att det fungerar som ett plåster för att försöka reparera skador på vår genetiska kod.
Mitokondrier är små "organeller" som sitter i våra celler, där de fungerar som batterier, och tillhandahåller energi i form av molekylen ATP för att driva cellerna. Varje mitokondrium har sitt eget DNA – mitokondrie-DNA – som är distinkt från resten av det mänskliga genomet, som består av kärn-DNA.
Mitokondrie-DNA förs vidare längs moderlinjen – det vill säga vi ärver det från våra mödrar, inte våra fäder. Men en studie publicerad i PNAS 2018 från forskare vid Cincinnati Children's Hospital Medical Center i USA rapporterade bevis som tydde på att visst mitokondriellt DNA hade förts vidare till faderns linje.
För att undersöka dessa påståenden tittade Cambridge-teamet på DNA från över 11 000 familjer som rekryterats till Genomics Englands 100 000 Genomes Project, och letade efter mönster som såg ut som faderligt arv. Cambridge-teamet hittade mitokondrie-DNA "insättningar" i kärn-DNA hos vissa barn som inte fanns i deras föräldrars. Detta innebar att det amerikanska teamet förmodligen hade kommit till fel slutsatser:vad de hade observerat var inte faderligt nedärvt mitokondrie-DNA, utan snarare dessa inlägg.
Nu, som utökar detta arbete till över 66 000 personer, visade teamet att de nya inläggen faktiskt händer hela tiden, och visar ett nytt sätt att vårt genom utvecklas.
Professor Patrick Chinnery, från Medical Research Council Mitochondrial Biology Unit och Department of Clinical Neurosciences vid University of Cambridge, förklarade:"För miljarder år sedan tog en primitiv djurcell in en bakterie som blev vad vi nu kallar mitokondrier. Dessa levererar energi. till cellen för att låta den fungera normalt samtidigt som den tar bort syre, som är giftigt vid höga nivåer. Med tiden har bitar av dessa primitiva mitokondrier passerat in i cellkärnan, vilket gör att deras genom kan prata med varandra.
"Det här troddes ha hänt för väldigt länge sedan, mest innan vi ens hade bildats som en art, men vad vi har upptäckt är att det inte är sant. Vi kan se detta hända just nu, med bitar av vår mitokondriella genetiska kod som överförs till kärngenomet på ett mätbart sätt."
Teamet uppskattar att mitokondrie-DNA överförs till nukleärt DNA i ungefär en av 4 000 födslar. Om den personen har egna barn kommer de att skicka dessa bilagor vidare - teamet fann att de flesta av oss bär fem av de nya bilagorna, och en av sju av oss (14 %) har de allra senaste. Väl på plats kan inläggen ibland leda till mycket sällsynta sjukdomar, inklusive en sällsynt genetisk form av cancer.
Det är inte klart exakt hur mitokondrie-DNA:t sätter in sig självt – om det gör det direkt eller via en mellanhand, som RNA – men professor Chinnery säger att det sannolikt inträffar i moderns äggceller.
När teamet tittade på sekvenser tagna från 12 500 tumörprover fann de att mitokondrie-DNA var ännu vanligare i tumör-DNA, uppkom i omkring en av 1 000 cancerformer, och i vissa fall är det mitokondrie-DNA-insättningar som faktiskt orsakar cancern.
"Vår nukleära genetiska kod går sönder och repareras hela tiden", säger professor Chinnery. "Mitokondrie-DNA verkar nästan agera som ett plåster, ett plåster för att hjälpa den nukleära genetiska koden att reparera sig själv. Och ibland fungerar detta, men i sällsynta fall kan det göra saker värre eller till och med utlösa utvecklingen av tumörer."
Mer än hälften (58%) av insättningarna var i regioner av genomet som kodar för proteiner. I de flesta fall känner kroppen igen det invaderande mitokondriella DNA:t och tystar det i en process som kallas metylering, varvid en molekyl fäster sig på insatsen och stänger av den. En liknande process inträffar när virus lyckas infoga sig själva i vårt DNA. Denna tystnadsmetod är dock inte perfekt, eftersom en del av de mitokondriella DNA-insättningarna fortsätter att kopieras och rör sig runt själva kärnan.
Teamet letade efter bevis för att det omvända kan hända - att mitokondrie-DNA absorberar delar av vårt kärn-DNA - men hittade inget. Det finns sannolikt flera anledningar till att detta bör vara fallet.
För det första har celler bara två kopior av kärn-DNA, men tusentals kopior av mitokondriellt DNA, så chansen att mitokondriellt DNA bryts och passerar in i kärnan är mycket större än tvärtom.
För det andra är DNA:t i mitokondrierna förpackat inuti två membran och det finns inga hål i membranet, så det skulle vara svårt för kärn-DNA att ta sig in. Om mitokondrie-DNA däremot lyckas ta sig ut, kommer hål i membranet som omger kärn-DNA skulle tillåta den att passera relativt lätt.
Professor Sir Mark Caulfield, vice rektor för hälsa vid Queen Mary University i London, sa:"Jag är så glad över att 100 000 Genomes Project har låst upp det dynamiska samspelet mellan mitokondrie-DNA och vårt genom i cellens kärna. Detta definierar en ny roll i DNA-reparation, men också en som ibland kan utlösa en sällsynt sjukdom eller till och med malignitet." + Utforska vidare
