به گزارش زیستنا به نقل از ScienceAlert و News-Medical، دانشمندان با بررسی DNA میتوکندریایی، نظریه‌ای را مطرح کرده‌اند که توضیح می‌دهد چرا در موجودات میتوکندری تنها از مادر به فرزندان به ارث می‌رسد.
میتوکندری اندامکی است که در تولید انرژی در سلول نقش اساسی دارد. مدت‌هاست دانشمندان به این واقعیت پی برده‌اند که DNA میتوکندریایی (mitochondrial DNA) یا به‌اختصار mtDNA در انسان منحصراً از سلول‌های تخمک می‌آید. به‌عبارت‌دیگر تقریباً تمامی جانوران روی زمین از نظر تأمین انرژی مورد نیاز هر یک از سلول‌های بدن خود مدیون مادرشان هستند.
پیش‌ازاین، اعتقاد بر این بود که mtDNA پدری طی فرایند لقاح در مدت‌زمان کوتاهی پس از وارد شدن اسپرم به تخمک یا در سلول تخم در حال تکوین، احتمالاً از طریق یک پاسخ جستجو و از بین بردن شبه ایمنی حذف می‌شود. بااین‌وجود، نقطه دقیقی که در آن ژن‌های میتوکندریایی پدری کنار گذاشته می‌شوند کاملاً مشخص نبود.
بااین‌حال، مطالعه اخیر نشان داد با وجود آنکه اسپرم‌های بالغ حامل تعداد اندکی میتوکندری هستند، این میتوکندری‌ها فاقد DNA میتوکندریایی سالم و دست‌نخورده هستند. توالی‌یابی ژن‌های موجود در سلول‌های اسپرم انسان، نتوانست هیچ mtDNA سالم و دست‌نخورده‌ای را پیش از لقاح شناسایی کند. بدین ترتیب این مشاهده از ایده تخریب اولیه DNA میتوکندریایی در اسپرم حمایت می‌کند.
دکتر شوکرت میتالیپوف (Shoukhrat Mitalipov)، زیست‌شناس تکوینی و مدیر مرکز درمان با سلول‌های زایا و ژن‌درمانی در دانشگاه علوم و بهداشت اورگان (Oregon Health & Science University) گفت: «ما متوجه شدیم که هر سلول اسپرم هنگامی‌که یک تخمک را بارور می‌کند، حدود ۱۰۰ میتوکندری را به‌عنوان اندامک با خود می‌آورد، اما mtDNA در آن‌ها وجود ندارد.»
پژوهشگران دریافتند که سلول‌های اسپرم نه‌تنها mtDNA دست‌نخورده ندارند، بلکه فاقد پروتئینی ضروری برای نگهداری mtDNA هستند که به نام فاکتور رونویسی میتوکندری A (mitochondrial transcription factor A) یا به‌اختصار TFAM شناخته می‌شود.
نویسندگان این مطالعه می‌نویسند: «ما نتیجه می‌گیریم که اسپرماتوزوآی (Spermatozoa) بالغ انسان اساساً فاقد mtDNA است. این امر با وراثت مادری ژنوم میتوکندری در پستانداران مطابقت دارد.»
البته سلول‌های جنسی نر هنوز DNA هسته‌ای را به فرزندان خود انتقال می‌دهند و ژنوم هسته‌ای انسان میلیاردها برابر از ژنوم میتوکندری بزرگ‌تر است. بااین‌وجود جهش در ژنوم میتوکندری با انواع بیماری‌ها و فرآیندهای پیری ارتباط دارد. این مسئله بیانگر آن است که این ژنوم برای سلامت و عملکرد اهمیت بسیاری دارد.
چرا تنها DNA میتوکندریایی مادر به ارث می‌رسد؟
دانشمندان مطمئن نیستند که چرا اسپرم مجاز به مشارکت mtDNA نیست. به نظر می‌رسد که میزان جهش نسبتاً بالای ژنوم میتوکندریایی در مقایسه با ژنوم هسته‌ای در این میان نقش داشته باشد. میتالیپوف این نظریه را مطرح می‌کند که این امر ممکن است به این واقعیت مرتبط باشد که هر اسپرم در حرکت زیستی خود برای بارورسازی تخمک از انرژی بسیاری حاصل از فعالیت میتوکندری‌هایش استفاده می‌کند. در صورتی که درون این میتوکندری‌ها mtDNA وجود داشت، احتمالاً تجمع جهش‌های بسیاری در آن‌ها وجود داشت. میتوکندری‌ها در تنفس و تولید انرژی در سلول‌های بدن نقش دارند، بنابراین جهش در mtDNA می‌تواند باعث ایجاد طیفی از اختلالات بالقوه کشنده شود که بر اندام‌هایی با نیاز انرژی بالا مانند قلب، ماهیچه و مغز تأثیر می‌گذارد.
در مقابل، تخمک‌های در حال تکوین که به نام اووسیت (Oocyte) شناخته می‌شوند، برای انرژی به میتوکندری خود وابسته نیستند و انرژی را عمدتاً از سلول‌های اطراف می‌گیرند و نه از میتوکندری‌های خود، بنابراین mtDNA نسبتاً دست‌نخورده‌ای را حفظ می‌کنند.
میتالیپوف گفت: «تخمک‌ها دست‌کم تا حدودی به دلیل عدم استفاده از میتوکندری به‌عنوان منبع انرژی، mtDNA بسیار خوبی را منتقل می‌کنند.»
حدود ۱۰۰ اندامک میتوکندری در هر اسپرم وجود دارد و در مقابل صدها هزار میتوکندری در هر سلول تخمک قرار دارد که هر یک حامل ۳۷ ژن در DNA میتوکندریایی خود هستند. اعتقاد بر آن است، این موضوع که تنها mtDNA مادری در ایجاد سلول تخم سهم دارد مزیتی تکاملی به وجود می‌آورد. این امر با محدود کردن خطر تجمع جهش‌های mtDNA که سبب بیماری در فرزندان می‌شود، این مزیت تکاملی را ایجاد می‌کند.
این یافته‌ها توضیح نمی‌دهند که چرا، در شرایط نادری دانشمندان در برخی از انسان‌ها انتقال mtDNA را یافته‌اند که به نظر می‌رسد هم از پدر و هم از مادر سرچشمه گرفته است. بااین‌حال این موضوع ممکن است به متخصصان در شناخت بهتر برخی از اختلالات باروری کمک کند که می‌توانند از طریق تخمک یا اسپرم منتقل شوند. به نوشته محققان این کشف جدید پیامدهای مهمی برای باروری انسان و درمان با سلول‌های زایا دارد.
دکتر دیمیتری تمیاکوف (DmitryTemiakov)، زیست‌شناس مولکولی و نویسنده مسئول مقاله، گفت: «شناخت نقش TFAM طی بلوغ اسپرم و عملکرد آن در طول لقاح ممکن است کلید توانایی ما در درمان برخی اختلالات ناباروری و افزایش کارایی فناوری‌های کمک باروری باشد.» وی در دانشگاه توماس جفرسون (Thomas Jefferson University) در فیلادلفیا مشغول به کار است.
در سال‌های اخیر، دانشمندان راه‌هایی برای هدف قرار دادن جهش‌های خاص در DNA میتوکندری یافته‌اند که سبب می‌شود تا این جهش‌ها به فرزندان به ارث نرسند.
میتالیپوف پیشگام ایجاد روشی به نام درمان جایگزینی میتوکندری (mitochondrial replacement therapy) برای کمک به مادران در جلوگیری از انتقال اختلالات شناخته‌شده mtDNA به فرزندانشان است. این روش با استفاده از تخمک‌های اهدایی از طریق لقاح آزمایشگاهی mtDNA سالم را جایگزین mtDNA جهش‌یافته می‌کند.
کنگره آمریکا، سازمان غذا و داروی این کشور را از نظارت بر آزمایش‌های بالینی با استفاده از این روش در ایالات‌متحده منع کرده است، بنابراین آزمایش‌های بالینی در خارج از این کشور انجام شده‌اند، از جمله آن‌ها آزمایش‌های بالینی در بریتانیا برای پیشگیری از بیماری و در یونان برای درمان ناباروری هستند.
در جهان، کودکانی وجود دارند که والدینشان از درمان پیشرفته جایگزین میتوکندری استفاده کرده‌اند و این کودکان با DNA سه فرد مختلف متولد شده‌اند.
این نوزادان بسیار منحصربه‌فرد دارای DNA هسته‌ای هستند که مانند سایر کودکان از لقاح یک اسپرم و یک تخمک ایجاد شده است، اما DNA میتوکندریایی آن‌ها از تخمک زن اهداکننده جداگانه‌ای آمده است.
نویسندگان این مطالعه نتیجه‌گیری کرده‌اند که: «وراث مادری mtDNA الگوی اصلی است که وجود و تکامل اکثریت گونه‌ها را هدایت می‌کند.» آن‌ها ادامه می‌دهند: «بااین‌وجود، اساس مولکولی این پدیده و مزایای آن نامشخص باقی‌مانده است.»
باورنکردنی است که در مورد چنین بخشی بنیادینی از حیات، ما اطلاعات بیشتری درباره این موضوع نداریم که ژن‌های ما از کجا می‌آیند.
این مطالعه، با همکاری دانشگاه علوم و بهداشت اورگان انجام شده است و نتایج آن در ژورنال Nature Genetics منتشر شده است.
منابع: ScienceAlert و News-Medical
Journal Reference:
Lee, William, Angelica Zamudio-Ochoa, Gina Buchel, Petar Podlesniy, Nuria Marti Gutierrez, Margalida Puigròs, Anna Calderon, et al. “Molecular Basis for Maternal Inheritance of Human Mitochondrial DNA.” Nature Genetics, September 18, 2023. https://doi.org/10.1038/s41588-023-01505-9.