改寫教科書!華人科學家證實,父親也可以將線粒體DNA遺傳給后代 | 科學大發現

轉自:奇點糕  奇點網 
人類對自身的認知又要刷新了

近日,由辛辛那提兒童醫院黃濤生教授和羅仕玉博士領銜,廣西婦幼保健院、貝勒醫學院、臺大醫院和梅奧診所等研究機構的科學家共同組成的研究團隊,在著名期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)發文[1]。

他們在三個獨立家庭中證實:之前認為只能通過母親遺傳給后代的線粒體DNA,也可以通過父親傳遞給后代

對,你沒看錯,父親也可以把線粒體DNA遺傳給后代。

而且,從他們掌握的數據來看,線粒體DNA通過父親傳遞給后代的現象在人群中的發生率約為0.02%[2]。可以說也是比較常見了。

這個發現不僅改寫了我們對人類遺傳學的認知;更重要的是,對于我們理解和治療線粒體異常導致的疾病有極大的幫助。還有一點值得提及的是,如果這種現象在人類社會廣泛存在,那么我們對人類進化和遷徙的認知有可能也會被改寫

辛辛那提兒童醫院線粒體病中心主任黃濤生教授

“這是一個非常具有開創性的發現,”沒有參加這項研究的斯坦福大學研究線粒體的專家說[2],“它可能開辟一個全新的領域,并改變我們尋找某些疾病病因的方式。

線粒體是人體細胞的一種重要細胞器,不僅因為它是細胞的“能量工廠”,還因為它里面有一份獨立于細胞核的DNA,與人類的很多遺傳病相關。

之前有大量的細胞譜系和種族發育研究結果都非常明確地表明,線粒體只能從母親傳遞給后代[3],是典型的“母系遺傳”。

線粒體的這種遺傳特征,讓我們認識到線粒體異常導致的遺傳病,只能通過母親遺傳給后代。此外,這個特點還能幫助人類尋找我們共同的祖奶奶。

其實為了給精子提供游動的能量,精子里面是有線粒體的。至于線粒體為何以母系遺傳的方式傳遞,目前比較主流的觀點是,精子中的線粒體攜帶更多的變異[4],對后代發育不利,因此受精后便被破壞、失活,或被稀釋得無影無蹤了[5,6]。不過,精子的線粒體究竟是如何被破壞掉的,目前還不清楚。

總之,大家都認為人類的線粒體都是從媽媽那里獲取的。

卵細胞受精后,破壞精子中的線粒體

其實在1983年,Joseph Egger和John Wilson就在《新英格蘭醫學期刊》上報道過線粒體通過父親傳遞給后代的案例[7]。然而,早在1980年斯坦福大學醫學院的研究團隊(國際著名遺傳學家、美國科學院院士Douglas C. Wallace是這個研究的負責人)在PNAS上發文表明,人類線粒體DNA通過母系遺傳[8]。

當此之時,Wallace團隊的“母系遺傳論”獲得了廣泛的認可,以至于Egger和Wilson不敢相信自己的結論,再加上他們也缺乏有效的手段證明他們的發現,于是他們找了些原因就解釋過去了[9]。

人類線粒體遺傳學先驅Douglas C. Wallace院士

線粒體DNA可以通過父親遺傳真正引起學界注意是在2002年。

Marianne Schwartz和John Vissing在研究一名28歲男性患者的線粒體疾病時,發現導致這名患肌肉疾病的異常線粒體DNA,居然是從他父親那里獲得的[10]。

這是科學家首次發現線粒體DNA可以從父親那里傳遞給后代。不過遺憾的是,在接下來的16年里,再也沒有類似的確切報道。以至于很多遺傳學家們都認為,2002年那個發現完全就是個偶然事件。

父親可以把線粒體DNA遺傳給后代?正常情況下是不存在的~

如果不是因為測序技術的進步,以及黃教授團隊的膽大心細,我們可能還認為在人類社會線粒體不存在父系遺傳。

事情是這樣的。黃教授收治的一名4歲男孩被懷疑有線粒體病。研究人員給患者做了線粒體DNA測序,結果沒有發現可能的致病突變。

在這種情況下,醫生一般會考慮給患者做其他的檢查,看看是不是有其他疾病的可能。不過,黃教授團隊的研究人員仔細分析了下患者線粒體DNA的異質性。數據讓他們大吃一驚,異質性遠遠大于正常人的水平

研究人員的第一反應是,肯定是哪個環節被污染了。于是他們又小心翼翼的取了一次樣,重新做了一次測序。結果一模一樣。

緊接著,研究人員又把小男孩的姐妹也找來測了序,發現他們姊妹三個都存在同樣的異質性差異巨大的現象。

根據Wallace教授1980年的研究成果分析,這三姊妹的線粒體特征顯然是遺傳自他們的母親。一測序,果然不假,他們的母親也是這樣的情況。

第IV行的2號就是那個4歲的小男孩(箭頭所指的那個)~

到這里,換做別人可能會認為,這家人的線粒體DNA異質性就是這么獨特,這不過也是個偶然現象罷了。

不過,黃教授團隊還是往前又走了一步。他們找來了小男孩的外公外婆。給他的外公外婆也做了個線粒體DNA測序。

這回的測序結果讓研究人員更吃驚了。數據顯示,小男孩媽媽的線粒體DNA有60%是來自于小男孩的外婆,另外的40%來自于小男孩的外公。

如此看來,線粒體DNA確確實實可以通過父親傳遞給后代~

為了證明線粒體DNA的父系遺傳不是偶然現象,研究人員又找到了兩個獨立家庭,通過類似的測序分析,他們也發現了和第一個家庭一模一樣的情況。算上第一個家庭的數據,這三個家庭中,一共有17個人的線粒體DNA來自于雙親。

為了保險起見,黃教授團隊不僅將這三個家庭的樣本送到其他實驗室做了驗證,而且還用Pacific Bio的單分子測序等技術做了進一步的復盤。

所有的結果都是一樣。

而且,根據他們手頭的數據做個簡單的分析,他們發現線粒體DNA的父系遺傳在人群中的發生率約為0.02%[2]。

也就是說,線粒體DNA通過父親的精子分發給后代確有其事~

什么是線粒體疾病

總之,研究人員認為,他們的研究結果明確無誤的證明,人類的線粒體DNA可以通過雙親傳遞給后代,改寫了當前的線粒體遺傳法則,這一發現或將改變人類對自身的認識。

不過,這種現象背后的機制目前還不清楚。黃教授團隊認為,這可能與細胞核中的父系線粒體清除相關的基因突變有關。如果線粒體DNA父系遺傳背后的機制被揭示,線粒體遺傳病的診斷和治療將是另一番景象。

編輯神叨叨

1980年,Douglas C. Wallace等在PNAS上發文證明人類線粒體DNA是嚴格通過母親傳遞給后代,成為大家的共識;38年后,華人科學家黃濤生教授團隊在PNAS發文,證實人類線粒體DNA是雙親遺傳。遙相呼應??

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參考資料:

[1].Luo S, Valencia C A, Zhang J, et al. Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201810946.

[2].https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/dads-mitochondrial-dna/

[3].Wallace D C. Why Do We Still Have a Maternally Inherited Mitochondrial DNA? Insights from Evolutionary Medicine[J]. Annual Review of Biochemistry, 2007, 76(1): 781-821.

[4].Breton S, Stewart D T. Atypical mitochondrial inheritance patterns in eukaryotes[J]. Genome, 2015, 58(10): 423-431.

[5].Politi Y, Gal L, Kalifa Y, et al. Paternal Mitochondrial Destruction after Fertilization Is Mediated by a Common Endocytic and Autophagic Pathway in Drosophila[J]. Developmental Cell, 2014, 29(3): 305-320.

[6].Cummins J M, Wakayama T, Yanagimachi R, et al. Fate of microinjected sperm components in the mouse oocyte and embryo.[J]. Zygote, 1997, 5(4): 301-308.

[7].Egger J, Wilson J. Mitochondrial inheritance in a mitochondrially mediated disease.[J]. The New England Journal of Medicine, 1983, 309(3): 142-146.

[8].Giles R E, Blanc H, Cann H M, et al. Maternal inheritance of human mitochondrial DNA[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1980, 77(11): 6715-6719.

[9].https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJM200212193472519?query=recirc_curatedRelated_article

[10].Schwartz M, Vissing J. Paternal inheritance of mitochondrial DNA.[J]. The New England Journal of Medicine, 2002, 347(8): 576-580.

 

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