Informasi

Mengapa ada bunuh diri mitokondria sperma?

Mengapa ada bunuh diri mitokondria sperma?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mitokondria dalam sperma dicerna saat masuk ke dalam sel telur, membuat pewarisan mDNA secara eksklusif perempuan. Apa keuntungan dari ini? Bukankah beberapa mDNA laki-laki bermanfaat karena keuntungan (setidaknya sedikit) reproduksi seksual?

Referensi: "Autophagy pascafertilisasi organel sperma mencegah transmisi DNA mitokondria ayah" (di belakang paywall, inilah artikel ScienceDaily yang membahas hasilnya).

Sunting:

Kedua jawaban tersebut tampaknya valid tetapi sulit untuk mengukur biaya relatifnya.


Pewarisan DNA mitokondria dari ibu sangat terpelihara dengan baik, meskipun beberapa spesies, seperti beberapa kerang, menunjukkan pewarisan dari pihak ayah. Adapun mengapa atau apa keuntungannya, sebagian karena logistik dasar: sel sperma memiliki ~100-1000 mitokondria, sel telur memiliki 105-106, jadi kontribusi laki-laki sebagian besar hilang. Plus, sebagian besar mitokondria dalam sperma mengarah ke ekor, yang tidak selalu atau tidak selalu masuk ke dalam sel telur.

Untuk mekanisme penghancuran yang lebih berdasarkan seleksi, pikirkan tentang apa yang dilakukan sperma. Mereka adalah paket energi kecil yang tidak melakukan apa-apa selain berlomba sampai mereka mati. Itu dia. Produksi energi, yang terjadi di mitokondria, menghasilkan oksigen reaktif yang dapat merusak genom. Genom-mt dalam telur jauh lebih kecil kemungkinannya untuk rusak.

Selain itu, saya mungkin melihat keseragaman kromosom. Heteroplasma melakukan terjadi sekarang dan lagi, dan itu biasanya bukan hal yang baik. Mitokondria sangat penting, jadi masuk akal untuk memiliki pendekatan semua-atau-tidak sama sekali, agar genom yang merusak tidak bertahan.


Teori arus utama, saya percaya, adalah bahwa ini adalah cara untuk menghindari kompetisi destruktif (penurun kebugaran organisme) yang tak terhindarkan yang seharusnya terjadi pada mitokondria kedua orang tua.

Dari buku Austin Burst dan Robert Trivers, Genes in Conflict (hlm. 146):

Genom mitokondria egois… memiliki keunggulan replikasi dibandingkan genom mitokondria normal dalam seleksi dalam organisme, tetapi kalah dalam seleksi konvensional antar organisme… Oleh karena itu, jika suatu populasi polimorfik untuk 2 tipe mitokondria, yang satu lebih egois daripada yang lain, sebuah gen yang entah bagaimana mengurangi kemanjuran seleksi dalam-individu akan cenderung diasosiasikan dengan tipe yang kurang egois, dan dengan demikian dapat meningkat frekuensinya karena seleksi antar-organisme… Artinya, akan ada seleksi untuk gen nuklir yang memodifikasi perilaku mitokondria untuk mengurangi kemanjuran seleksi di dalam organisme (seperti halnya ada seleksi pada gen nukleus untuk menekan dorongan pada lokus yang tidak terhubung)…

Cara yang lebih baik lagi untuk membatasi seleksi mitokondria di dalam organisme adalah dengan memastikan bahwa hanya satu orang tua yang mentransmisikan mitokondria ke generasi berikutnya - yaitu, memaksakan pewarisan uniparental…

Saya pikir implikasinya adalah bahwa pewarisan uniparental pada mtDNA, dipaksakan oleh adaptasi yang bertindak untuk kepentingan nDNA. Tanpa pewarisan uniparental, seleksi di dalam sel pada mitokondria akan mendorong mereka untuk bereplikasi lebih cepat daripada yang optimal dari perspektif sel (dan nDNA) lainnya.

Rupanya teori ini juga berperan dalam menjawab pertanyaan Fisher, dari kata pengantar Teori Genetika Seleksi Alam:

Tidak ada ahli biologi praktis yang tertarik pada reproduksi seksual yang akan dituntun untuk mengetahui konsekuensi terperinci yang dialami oleh organisme yang memiliki tiga jenis kelamin atau lebih; namun apa lagi yang harus dia lakukan jika dia ingin memahami mengapa jenis kelamin, pada kenyataannya, selalu dua?

Laurence Hurst dan Bill Hamilton berdebat, dalam makalah mereka Fusi Sitoplasma dan Sifat Jenis Kelamin (1992):

Jenis perkawinan biner diusulkan untuk muncul dalam proses tiga tahap melalui pemilihan gen nuklir untuk meminimalkan konflik gen sitoplasma pada saat fusi gamet. Untuk mendukung pandangan ini kami berpendapat bahwa: (i) dalam sistem dengan fusi gamet, gen tipe kawin biasanya biner dan mengatur pewarisan sitoplasma; (ii) jenis kelamin biner telah berevolusi beberapa kali secara independen terkait dengan fusi, meskipun setidaknya dua kali jenis biner telah hilang, terkait dengan hilangnya fusi; lebih lanjut, sesuai dengan teori adalah temuan untuk spesies isogami yang (iii) perkawinan sedarah dekat mungkin berkorelasi dengan kurang dari dua jenis kelamin dan pewarisan gen sitoplasma secara biparental; dan (iv) spesies dengan lebih dari dua jenis kelamin mungkin memiliki pewarisan gen sitoplasmik uniparental, jarang terjadi dan dipengaruhi oleh gen sitoplasmik yang merusak yang berusaha memutarbalikkan genetika sitoplasmik normal.


Studi menunjukkan DNA mitokondria dapat diturunkan melalui ayah - apa artinya ini bagi genetika?

Michael Porter tidak bekerja untuk, berkonsultasi, memiliki saham atau menerima dana dari perusahaan atau organisasi mana pun yang akan mendapat manfaat dari artikel ini, dan tidak mengungkapkan afiliasi yang relevan di luar penunjukan akademis mereka.

Mitra

University of Central Lancashire menyediakan dana sebagai anggota The Conversation UK.

The Conversation UK menerima dana dari organisasi-organisasi ini

Beberapa hal yang Anda pelajari di sekolah ternyata tidak benar, misalnya bahwa hanya ada lima indera atau tiga keadaan materi. Sekarang penelitian mutakhir telah ditambahkan ke daftar dengan membuktikan mitokondria (sumber daya dalam sel kita) berasal dari kedua orang tua kita dan bukan – seperti yang diajarkan kepada siswa biologi – hanya dari ibu kita.

Penelitian, yang diterbitkan di PNAS, menunjukkan secara meyakinkan bahwa, dalam tiga keluarga yang tidak berhubungan, mitokondria dari sperma ayah telah diturunkan kepada anak-anak selama beberapa generasi. Menjungkirbalikkan pemahaman ilmiah tentang "kebenaran" mendasar ini, membuka kemungkinan untuk pengobatan yang lebih baik dari gangguan mitokondria, yang merusak banyak keluarga dengan penyakit yang menghancurkan.

Mitokondria mengubah gula, lemak, dan protein yang kita makan menjadi molekul yang digunakan sel untuk memberi tenaga. Jadi ketika mereka salah, hasilnya sering menjadi bencana besar, yang mengakibatkan masalah seumur hidup atau bahkan kematian bayi yang terkena di dalam rahim.

Sindrom MELAS, misalnya, dimulai pada anak usia dini dan mengakibatkan kejang dan demensia. Sindrom Kearns-Sayre menyebabkan masalah dengan penglihatan dan pendengaran, berpotensi membuat penderitanya buta dan tuli.

Sebagian besar DNA sel terkandung dalam nukleusnya tetapi mitokondria duduk terpisah di dalam sel dan memiliki DNA sendiri. Ini karena mitokondria diperkirakan telah dimulai sebagai organisme terpisah, yang memasuki sel awal sekitar 1,45 miliar tahun yang lalu dan tidak pernah pergi. Mereka mereproduksi diri mereka sendiri dan berpindah dari satu generasi ke generasi lainnya dengan “mencari tumpangan” di dalam telur.

Mitokondria adalah sumber daya sel. Sebastian Kaulitzk/Shutterstock

Selama pembuahan, sperma ayah mentransfer DNA-nya ke dalam sel telur, tetapi sedikit atau tidak ada mitokondria sperma yang masuk. Jika ada, maka ada mekanisme yang dirancang untuk menghancurkannya. Penelitian baru menemukan bahwa, dalam sejumlah kecil keluarga, mitokondria dari ayah yang menemukan jalannya ke dalam telur tidak dihancurkan, meskipun kita belum cukup tahu untuk mengatakan alasannya. Ada juga beberapa bukti bahwa DNA mitokondria dari ayah ini mungkin telah disalin saat telur yang dibuahi tumbuh menjadi embrio bahkan lebih dari itu dari ibu.

Ada kemungkinan penelitian sebelumnya juga menemukan contoh mitokondria yang diturunkan dari ayah tetapi hasil ini diabaikan dan diasumsikan sebagai hasil kontaminasi sampel. Tetapi dengan kemajuan teknologi yang terus meningkat, analisis DNA yang lebih murah dan lebih mendalam dapat dilakukan. Jadi kemungkinan semakin banyak kasus sekarang akan dilaporkan.

Pekerjaan ini dapat mempengaruhi para ilmuwan yang mempelajari pergerakan manusia di sekitar planet ini. DNA mitokondria manusia cenderung berubah sangat sedikit dari waktu ke waktu karena bahkan perubahan kecil seringkali berakibat fatal sehingga tidak diteruskan ke generasi mendatang. Ini berarti DNA mitokondria seseorang kemungkinan besar sangat mirip dengan leluhur jauh mereka dan orang lain dari kelompok etnis mereka.

Jadi dengan mempelajari DNA mitokondria dalam populasi yang berbeda, para ilmuwan juga dapat mengikuti bagaimana kelompok-kelompok ini telah bergerak di seluruh dunia dan bahkan mengidentifikasi nenek moyang perempuan yang potensial untuk semua manusia, yang dikenal sebagai “Mitochondrial Eve”. Semua pekerjaan ini, bagaimanapun, didasarkan pada "fakta" bahwa mitokondria hanya diturunkan dari garis wanita, sesuatu yang sekarang kita tahu salah.


Apa yang Terjadi Selama Apoptosis?

Apoptosis adalah proses yang kompleks. Selama apoptosis, sel memicu proses dari dalam yang memungkinkannya untuk bunuh diri.

Jika sel mengalami beberapa jenis stres yang signifikan, seperti kerusakan DNA, maka sinyal dilepaskan yang menyebabkan mitokondria melepaskan protein yang menginduksi apoptosis. Akibatnya, sel mengalami pengurangan ukuran karena komponen seluler dan organelnya rusak dan memadat.

Bola berbentuk gelembung yang disebut blebs muncul di permukaan membran sel. Setelah sel menyusut, sel itu terurai menjadi fragmen yang lebih kecil yang disebut badan apoptosis dan mengirimkan sinyal bahaya ke tubuh. Fragmen-fragmen ini tertutup dalam membran agar tidak membahayakan sel-sel di dekatnya. Sinyal marabahaya dijawab oleh penyedot debu yang dikenal sebagai makrofag. Makrofag membersihkan sel-sel yang menyusut, tidak meninggalkan jejak, sehingga sel-sel ini tidak memiliki kesempatan untuk menyebabkan kerusakan sel atau reaksi inflamasi.

Apoptosis juga dapat dipicu secara eksternal oleh zat kimia yang berikatan dengan reseptor spesifik pada permukaan sel. Ini adalah bagaimana sel darah putih memerangi infeksi dan mengaktifkan apoptosis pada sel yang terinfeksi.


Mengapa Kita Mewarisi DNA Mitokondria Hanya Dari Ibu Kita?

Untuk waktu yang lama, para ahli biologi mengira DNA kita hanya berada di pusat kendali sel kita, nukleus.

Kemudian, pada tahun 1963, pasangan di Universitas Stockholm menemukan DNA di luar nukleus. Melihat melalui mikroskop elektron, Margit dan Sylvan Nass melihat serat DNA dalam struktur yang disebut mitokondria, pusat energi sel kita.

DNA mitokondria kami menyumbang sebagian kecil dari total DNA kami. Ini hanya mengandung 37 dari 20.000 hingga 25.000 gen pengkode protein dalam tubuh kita. Tapi itu sangat berbeda dari DNA dalam nukleus. Tidak seperti DNA inti, yang berasal dari kedua orang tua, DNA mitokondria hanya berasal dari ibu.

Tidak ada yang sepenuhnya mengerti mengapa atau bagaimana DNA mitokondria ayah dihapus dari sel. Sebuah tim ilmuwan internasional baru-baru ini mempelajari mitokondria dalam sperma cacing gelang yang disebut C. elegans untuk menemukan jawaban.

Hasil mereka, yang diterbitkan minggu ini di jurnal Science, menunjukkan bahwa mitokondria ayah pada jenis cacing gelang ini memiliki mekanisme penghancuran diri internal yang diaktifkan ketika sperma menyatu dengan sel telur. Menunda mekanisme ini, para ilmuwan menemukan, menyebabkan tingkat kelangsungan hidup embrio yang lebih rendah. Di ujung jalan, informasi ini dapat membantu para ilmuwan lebih memahami penyakit tertentu dan mungkin meningkatkan teknik fertilisasi in vitro.

Pekerjaan ini “paling dekat untuk menjelaskan proses pengembangan utama yang telah membingungkan kami sejak lama,” kata Justin St. John, seorang profesor di Institut Penelitian Medis Hudson di Australia, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

Sudah diketahui dengan baik bahwa transfer DNA mitokondria dari ibu ke anak, sering disebut pewarisan ibu, terjadi pada manusia dan sebagian besar organisme multiseluler. Warisan ibu adalah apa yang memungkinkan layanan pengujian genetik seperti 23andMe untuk melacak nenek moyang ibu kita. Anda mewarisi DNA mitokondria Anda dari ibu Anda, yang mewarisi DNA mitokondria dari ibunya dan seterusnya.

Warisan ibu juga memunculkan gagasan bahwa ada "Hawa Mitokondria", seorang wanita yang darinya semua manusia yang hidup mewarisi DNA mitokondria mereka.

Sebelum penelitian ini, diperkirakan bahwa pewarisan ibu diatur oleh proses dalam sel telur ibu, kata Ding Xue, seorang profesor di University of Colorado Boulder dan salah satu penulis makalah tersebut. Struktur besar yang disebut autofagosom, misalnya, diketahui menelan mitokondria ayah segera setelah sperma menembus sel telur.

Namun, Dr. Xue dan rekan-rekannya menemukan bahwa mitokondria paternal pada cacing gelang sebenarnya mulai rusak sebelum autofagosom mencapai mereka. “Ini seperti mekanisme bunuh diri,” kata Byung-Ho Kang, seorang profesor di Chinese University of Hong Kong dan penulis makalah lainnya.

Para peneliti mengidentifikasi sebuah gen, yang disebut cps-6, yang tampaknya memulai proses pemecahan di dalam mitokondria ayah. Mereka menemukan bahwa menghapus cps-6 menyebabkan mitokondria ayah bertahan lebih lama di dalam embrio. Ini juga menyebabkan tingkat kematian embrio yang lebih tinggi.

“Makalah ini memberikan data eksperimental pertama yang menunjukkan bahwa tidak baik menyimpan DNA mitokondria sperma,” kata Vincent Galy, seorang peneliti di Universitas Pierre dan Marie Curie di Paris, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Tidak jelas apakah memiliki beberapa DNA mitokondria ayah dalam sel kita menyebabkan masalah kesehatan. Sampai saat ini, ada satu kemungkinan kasus yang dilaporkan, yang dirinci pada tahun 2002 oleh para peneliti di Denmark. Pada seorang pria dengan miopati mitokondria, penyakit neuromuskular, para ilmuwan menemukan mutasi pada DNA mitokondria yang berasal dari ayahnya. Namun, mungkin saja mutasi itu terjadi secara spontan setelah pembuahan, daripada diwarisi langsung dari ayahnya.

Penelitian lebih lanjut dapat menjelaskan penyakit yang disebabkan oleh DNA mitokondria, yang dapat menyebabkan kebutaan, kerusakan saraf dan demensia, kata Dr. Xue. Karena ini adalah proses penyaringan yang agak lama, dokter biasanya tidak memeriksa pasien untuk pewarisan mitokondria ayah. Tetapi “saat kami melakukan lebih banyak penelitian, kami mungkin benar-benar menemukan bahwa itu terkait erat dengan beberapa penyakit manusia,” kata Dr. Xue.

Studi lebih lanjut juga dapat memperluas pemahaman tentang teknik fertilisasi in vitro yang melibatkan penyuntikan satu sperma langsung ke dalam sel telur. Beberapa peneliti telah mempelajari apakah teknik ini mengarah pada keberadaan DNA mitokondria sperma dalam embrio, tetapi “ada hasil yang bertentangan,” kata Dr. Galy.

Misteri besar yang tersisa adalah mengapa pewarisan ibu terjadi begitu konsisten di seluruh organisme, kata Dr. Xue. Satu teori berkaitan dengan fakta bahwa sperma harus menghasilkan banyak energi ketika bersaing untuk membuahi sel telur. Selama waktu ini, mitokondria sperma bekerja terlalu keras, yang mungkin dapat merusak DNA mereka dan menyebabkan mutasi.

Tetapi teori ini, dan semua teori lainnya, masih bersifat spekulatif, kata Dr. Xue. "Ini adalah pertanyaan biologis yang sudah berlangsung lama," katanya. “Pasti ada alasan mendasar dan penting mengapa sebagian besar spesies benar-benar mengadopsi gaya pewarisan mitokondria yang sama.”


Procaspases Diaktifkan dengan Mengikat ke Protein Adaptor

Semua sel hewan berinti mengandung benih kehancuran mereka sendiri, dalam bentuk berbagai procaspase tidak aktif yang menunggu sinyal untuk menghancurkan sel. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika aktivitas caspase diatur secara ketat di dalam sel untuk memastikan bahwa program kematian tetap terkendali sampai dibutuhkan.

Bagaimana procaspases diaktifkan untuk memulai kaskade caspase? Prinsip umum adalah bahwa aktivasi dipicu oleh protein adaptor yang membawa banyak salinan procaspase spesifik, yang dikenal sebagai procaspases inisiator, berdekatan secara kompleks atau agregat. Dalam beberapa kasus, procaspases inisiator memiliki sejumlah kecil aktivitas protease, dan memaksa mereka bersama-sama menjadi kompleks menyebabkan mereka membelah satu sama lain, memicu aktivasi timbal balik mereka. Dalam kasus lain, agregasi dianggap menyebabkan perubahan konformasi yang mengaktifkan procaspase. Dalam beberapa saat, kaspase yang diaktifkan di bagian atas kaskade membelah prokaspase hilir untuk memperkuat sinyal kematian dan menyebarkannya ke seluruh sel (lihat Gambar 17-38B).

Aktivasi procaspase dapat dipicu dari luar sel oleh aktivasi reseptor kematian pada permukaan sel. Limfosit pembunuh (dibahas dalam Bab 24), misalnya, dapat menginduksi apoptosis dengan memproduksi protein yang disebut ligan fas, yang mengikat protein reseptor kematian Fas pada permukaan sel target. Protein Fas yang berkerumun kemudian merekrut protein adaptor intraseluler yang mengikat dan mengagregasi molekul procaspase-8, yang membelah dan mengaktifkan satu sama lain. Molekul caspase-8 yang teraktivasi kemudian mengaktifkan procaspases hilir untuk menginduksi apoptosis (Gambar 17-39A). Beberapa sel yang stres atau rusak membunuh dirinya sendiri dengan memproduksi baik ligan Fas maupun protein Fas, sehingga memicu kaskade kaspase intraseluler.

Gambar 17-39

Induksi apoptosis oleh rangsangan ekstraseluler atau intraseluler. (A) Aktivasi ekstraseluler. Limfosit pembunuh yang membawa ligan Fas mengikat dan mengaktifkan protein Fas pada permukaan sel target. Protein adaptor mengikat intraseluler (lebih.)

Ketika sel rusak atau stres, mereka juga dapat bunuh diri dengan memicu agregasi dan aktivasi procaspase dari dalam sel. Dalam jalur yang paling dipahami, mitokondria diinduksi untuk melepaskan protein pembawa elektron sitokrom c (lihat Gambar 14-26) ke dalam sitosol, di mana ia mengikat dan mengaktifkan protein adaptor yang disebut Apaf-1 (Gambar 17-39B). Jalur mitokondria dari aktivasi procaspase ini direkrut dalam sebagian besar bentuk apoptosis untuk memulai atau untuk mempercepat dan memperkuat kaskade caspase. Kerusakan DNA, misalnya, seperti yang telah dibahas sebelumnya, dapat memicu apoptosis. Respon ini biasanya membutuhkan p53, yang dapat mengaktifkan transkripsi gen yang mengkode protein yang mendorong pelepasan sitokrom C dari mitokondria. Protein ini milik keluarga Bcl-2.


Abstrak

Mitokondria diturunkan secara maternal pada sebagian besar hewan, tetapi mekanisme eliminasi mitokondria paternal selektif (PME) tidak diketahui. Saat memeriksa pembuahan di Caenorhabditis elegans, kami mengamati bahwa mitokondria ayah dengan cepat kehilangan integritas membran bagian dalamnya. CPS-6, endonuklease G mitokondria, berfungsi sebagai faktor mitokondria ayah yang penting untuk PME. Kami menemukan bahwa CPS-6 berpindah dari ruang intermembran mitokondria ayah ke matriks setelah pembuahan untuk mendegradasi DNA mitokondria. Ia bekerja dengan mesin autophagy dan proteasome ibu untuk mempromosikan PME. Hilangnya cps-6 menunda pemecahan membran dalam mitokondria, penutupan autofagosom mitokondria ayah, dan PME. Penghapusan mitokondria ayah yang tertunda menyebabkan peningkatan kematian embrio, menunjukkan bahwa PME penting untuk perkembangan hewan normal. Dengan demikian, CPS-6 berfungsi sebagai faktor degradasi mitokondria ayah selama perkembangan hewan.

Mitokondria sangat penting untuk banyak proses seluler termasuk respirasi seluler, apoptosis, dan metabolisme, dan mereka memiliki genom sendiri (mtDNA) (1, 2). Namun, hanya mitokondria ibu yang diturunkan ke keturunannya. Meskipun eliminasi mtDNA ayah dapat terjadi pada berbagai tahap perkembangan melalui mekanisme yang berbeda.3), tidak jelas mengapa dan bagaimana mitokondria ayah secara selektif dihilangkan setelah pembuahan selama perkembangan embrio (3, 4). Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, kami memeriksa mitokondria ayah di C. elegan spermatozoa dan embrio dengan mikroskop elektron (EM) dan tomografi.

Mitokondria pada spermatozoa tipe liar (N2) berbentuk bulat (gbr. S1A), dengan diameter rata-rata 464 ± 68 nm (SD), dan kristanya, dibentuk oleh lipatan luas membran dalam, terdistribusi secara merata dalam matriks (Gbr. .1A). Mitokondria ayah dalam zigot N2 mudah dibedakan dari mitokondria ibu berbentuk tabung dan lebih tipis (dengan lebar rata-rata 238 ± 57 nm gambar S1B). Khususnya, semua mitokondria paternal dalam zigot N2 memiliki beberapa agregat gelap (agg) dalam matriks yang terbentuk segera setelah mereka masuk ke dalam oosit (Gbr. 1, B dan E, Gbr. S1, B ke G, dan Film S1). Membran dua lapis dari autofagosom telah mulai berkumpul di sekitar beberapa mitokondria ayah pada tahap ini (gbr. S1B). Kami menamai mitokondria paternal yang mengandung agregat kecil yang tidak memiliki membran autofagosom di dekatnya sebagai “small agg PM” (Gbr. 1B). Mereka yang mengandung agregat yang lebih besar yang berhubungan dengan membran autophagosome disebut "agg PM besar" (Gbr. 1C), dan mereka yang memiliki sedikit krista dan tertutup dalam autophagosome disebut "ghost PM" (Gbr. 1D). Banyak agg PM kecil muncul secara independen dari mesin autophagy (Gbr. 1, B dan E, gbr. S1, B ke G, dan film S1). PM agg besar dan PM hantu diamati pada zigot N2 tetapi sebagian besar terlihat pada embrio tahap dua atau empat sel (Gbr. 1, C hingga E).

(A ke D, F ke J) Gambar irisan tomografi dan model 3D mitokondria yang sesuai dalam N2 (A) atau cps-6 (tm3222) (F) spermatozoa atau mitokondria paternal dalam embrio N2 [(B) hingga (D)] atau cps-6 (tm3222) embrio [(G) ke (J)] pada tahap yang ditunjukkan. Model 3D autofagosom (AuPh) dan retikulum endoplasma (ER) ditampilkan. Membran mitokondria, krista, dan agregat masing-masing berwarna merah, hijau, dan biru. Agregat gelap dan membran autophagosome masing-masing ditunjukkan dengan panah biru dan kuning. Bilah skala, 300 nm. (E) Histogram yang menunjukkan tiga kelas mitokondria paternal dalam embrio dari berbagai tahap dari persilangan N2 yang ditunjukkan (n = 45) atau cps-6 (tm3222) menyeberang (n = 56).

Dalam agg PM besar, krista dibersihkan dari daerah pusat sebagai agregat membesar dalam matriks (Gbr. 1C), yang terjadi sebelum autofagosom membungkus mitokondria ayah. Setelah tertutup oleh autofagosom, mereka kehilangan isi matriks kecuali beberapa agregat yang tersisa, tetapi membran luarnya tidak pecah sampai sebagian besar krista menghilang (Gbr. 1D dan Gbr. S1H). Hasil ini menunjukkan bahwa mitokondria ayah dihancurkan sebagian dalam embrio oleh kerusakan internal yang dimulai sendiri sebelum perakitan dan degradasi autofagosom.

Untuk mengidentifikasi faktor mitokondria intrinsik yang terlibat dalam eliminasi mitokondria ayah (PME), kami melakukan layar interferensi RNA (RNAi) terhadap 217 C. elegan gen nuklir diprediksi mengkode protein mitokondria (tabel S1), menggunakan metode berbasis reaksi berantai polimerase sensitif (PCR) dan alel penghapusan mtDNA 3053-pasangan basa (bp) (uaDf5 Gambar 2A) untuk melacak nasib mtDNA (5). uaDf5 mtDNA terdeteksi pada keturunan silang pada semua tahap perkembangan dari perkawinan jantan N2 dengan uaDf5/+ hermafrodit heteroplasma (gbr. S2A) (5) tetapi hanya terdeteksi pada embrio awal, tidak pada embrio akhir maupun pada keturunan silang larva dari hermafrodit N2 yang dikawinkan dengan uaDf5/+ laki-laki (Gbr. 2B) temuan ini menunjukkan bahwa PME dilestarikan dalam C. elegan (57). RNAi dari cps-6 gen, yang mengkodekan homolog dari mitokondria manusia endonuclease G (8, 9), menyebabkan kegigihan ayah uaDf5 mtDNA sampai tahap akhir embriogenesis—suatu temuan yang tidak teramati pada RNAi gen lain (gambar S2B dan bahan pelengkap). Penghapusan 336-bp (tm3222) di dalam cps-6, yang menghilangkan situs katalitik CPS-6 (gbr. S2C) (10), memiliki efek yang sama dengan cps-6 (RNAi), menyebabkan kegigihan ayah uaDf5 mtDNA selama perkembangan embrio (Gbr. 2C), sedangkan uaDf5 terdeteksi hanya di 64-sel atau embrio sebelumnya dalam persilangan antara uaDf5/+ jantan dan hermaprodit N2 (Gbr. 2B). Hasil ini menunjukkan bahwa cps-6 dikaitkan dengan penghapusan cepat mtDNA ayah selama embriogenesis awal.

(A) Diagram dari C. elegan mtDNA, uaDf5 penghapusan, primer yang digunakan dalam tes PCR bersarang, dan ukuran produk PCR di N2 dan uaDf5/+ hewan. (B dan C) Hermafrodit dan jantan bernoda MTR dikawinkan seperti yang ditunjukkan. Laki-laki juga membawa smIs42, P . terintegrasisur-5sur-5::gfp transgen yang digunakan untuk melacak keturunan silang (lihat gbr. S2A). Satu oosit yang tidak dibuahi dan satu embrio atau larva yang dibuahi silang (MTR- atau GFP-positif) pada tahap yang ditunjukkan dianalisis dengan PCR. uaDf5/+ dan hermafrodit N2 sebagai kontrol. (D) Kuantifikasi kluster mitokondria ayah yang diwarnai MTR dalam embrio 64 sel dari persilangan yang ditunjukkan dengan jantan yang diwarnai MTR. Data adalah mean ± SEM n = 20 per salib. **P < 0,0001 (Siswa tidak berpasangan T uji) n.s., tidak signifikan. (E dan F) Lima embrio yang dibuahi silang (E) atau embrio transgenik (F) pada sekitar tahap 100 sel dari persilangan yang ditunjukkan dianalisis dengan PCR. (G ke J) Gambar imuno-EM representatif mitokondria dalam spermatozoa N2 dan mitokondria ayah dalam zigot dari persilangan yang ditunjukkan. Partikel imunogold spesifik CPS-6 dan spesifik PD-E2 ditandai dengan panah. Bilah skala, 300 nm. (K) Histogram jarak partikel immunogold 15 nm dari membran mitokondria, menggambarkan pergerakan CPS-6 setelah pembuahan. Jumlah partikel immunogold yang dicetak ditunjukkan dalam tanda kurung. ***P < 0,0001 (Uji Mann-Whitney U). cps-6 (tm3222) digunakan di semua angka.

Kami melakukan analisis mikroskopis untuk memantau hilangnya mitokondria ayah yang diwarnai oleh Mitotracker Red (MTR), pewarna khusus mitokondria (5). Ketika jantan N2 yang diwarnai MTR dikawinkan dengan hermafrodit N2 yang tidak diwarnai, mitokondria ayah yang diwarnai MTR terlihat pada embrio sebelum tahap 64-sel (gbr. S3, A hingga G), menunjukkan bahwa PME terjadi bersamaan dengan eliminasi mtDNA ayah (Gbr. .2B). Sebaliknya, kehilangan cps-6 menghasilkan kegigihan mitokondria ayah MTR ke sekitar tahap 550 sel (gbr. S3, H ke N), menegaskan bahwa CPS-6 mempromosikan pembersihan cepat mitokondria ayah.

(A dan B) Gambar kontras interferensi diferensial (DIC) dan fluoresensi zigot dari persilangan yang ditunjukkan. TMRE memiliki akses yang sama ke mitokondria ibu dan ayah dalam zigot (B). Bilah skala, 10 m. (C ke F) Zigot dari persilangan yang ditunjukkan dengan jantan yang diwarnai MTR diberi label dengan antibodi terhadap LGG-1. Gambar diperoleh dengan mikroskop Nikon SIM. Persegi panjang putus-putus menyoroti area yang diperbesar dan ditunjukkan di bawah [(D) dan (F)]. Bilah skala, 2 m [(C) dan (E)], 0,5 m [(D) dan (F)].

CPS-6 pertama kali diidentifikasi sebagai nuklease apoptosis yang mentranslokasi dari mitokondria ke nukleus selama apoptosis untuk memediasi fragmentasi kromosom.8, 9). Peran nonapoptosis CPS-6 dalam C. elegan belum dilaporkan. Kami menggunakan uji PCR dan uji mikroskopis untuk menyelidiki apakah CPS-6 diperlukan secara ayah atau ibu untuk PME (teks tambahan) dan menemukan bahwa sebagian besar mitokondria ayah dan mtDNA bertahan melewati tahap 64-sel ketika ayah cps-6 rusak (Gbr. 2, D dan E, perkawinan 3 dan 4). Sebaliknya, embrio tanpa ibu cps-6 ditampilkan PME normal (Gbr. 2, D dan E, kawin 2). Hasil ini menunjukkan bahwa CPS-6 ayah diperlukan untuk mempromosikan PME.

CPS-6 diimpor ke mitokondria melalui urutan penargetan mitokondria (asam amino 1 sampai 21), karena CPS-6ΔN, tidak memiliki urutan penargetan ini, melokalisasi ke nukleus (8). Ekspresi CPS-6, tetapi bukan CPS-6ΔN, dalam cps-6 (tm3222) laki-laki melalui ekspresi di mana-mana dpy-30 promotor gen menyelamatkan cacat di PME (Gbr. 2F, perkawinan 1, 2, dan 5 sampai 7 lihat juga teks tambahan), menunjukkan bahwa lokalisasi CPS-6 di mitokondria ayah diperlukan untuk menengahi PME. Karena ekspresi mutan CPS-6 (H148A) yang kekurangan nuklease dalam cps-6 (tm3222) jantan gagal menyelamatkan cacat PME (Gbr. 2F, perkawinan 3 dan 4), aktivitas nuklease CPS-6 sangat penting untuk PME.

Menggunakan tomografi elektron, kami memeriksa bagaimana hilangnya cps-6 mempengaruhi PME. Di dalam cps-6 (tm3222) zigot, agregat masih terlihat di mitokondria ayah tetapi lebih kecil dan lebih sedikit daripada di zigot N2, dan tidak ada PM hantu yang terdeteksi (Gbr. 1, B, E, dan G), menunjukkan kerusakan internal mitokondria ayah yang berkurang dan lebih lambat. Membran autofagosom mulai berkumpul di sekitar mitokondria ayah dalam dua atau empat sel cps-6 (tm3222) embrio dan selubung lengkap pada tahap 16-sel (Gbr. 1, H dan I), berjalan secara signifikan lebih lambat daripada di embrio N2, di mana perakitan autophagosome dimulai lebih awal pada tahap satu sel dan selesai pada tahap empat sel ( Gambar 1, C sampai E). Bahkan setelah penutupan autophagosome, pemecahan internal mitokondria ayah jelas tertunda (Gbr. 1, I dan J), karena sebagian besar krista tetap utuh secara dangkal dan kurang dari 40% mitokondria ayah berpindah ke PM hantu di 16-sel cps-6 (tm3222) embrio (Gbr. 1E). Beberapa agg PM besar bahkan bertahan dalam embrio 64-sel (Gbr. 1J), dibandingkan dengan 100% mitokondria ayah yang dihilangkan atau menjadi PM hantu oleh embrio N2 empat sel (Gbr. 1, D dan E). Oleh karena itu, CPS-6 penting dalam memediasi kerusakan internal mitokondria ayah dan selubungnya oleh autofagosom setelah pembuahan.

Mitokondria yang dikompromikan sering menunjukkan hilangnya potensi membran, yang dapat dideteksi oleh tetramethylrhodamine ethyl ester (TMRE), pewarna mitokondria yang sensitif terhadap potensi. Ketika N2 jantan yang diberi TMRE dan pewarna asam nukleat (SYTO11)—yang masing-masing memberi label mitokondria sperma dan mtDNA-nya (gbr. S4, A dan B)—dikawinkan dengan hermafrodit N2, mitokondria ayah masih diberi label oleh SYTO11 dalam zigot N2 , tetapi pewarnaan TMRE mereka benar-benar hilang (Gbr. 3A). Sebagai perbandingan, pewarnaan mitokondria ayah oleh MTR yang tidak sensitif potensial tetap ada (gbr. S4B). Ketika kami mengawinkan jantan N2 bernoda SYTO11 dengan hermafrodit N2 di hadapan TMRE, hanya mitokondria ibu yang diwarnai oleh TMRE, dan mitokondria ayah positif SYTO11 adalah TMRE-negatif (Gbr. 3B). Oleh karena itu, mitokondria ayah didepolarisasi segera setelah pembuahan, mendahului degradasi mtDNA mereka.

Kami menggunakan imuno-EM untuk menentukan lokalisasi CPS-6 di mitokondria ayah. Partikel imunogold CPS-6 sebagian besar terkait dengan membran mitokondria pada spermatozoa N2 (Gbr. 2, G dan K, dan Gbr. S2G), sesuai dengan lokalisasi CPS-6 di ruang intermembran mitokondria. Dalam zigot dari cps-6 (tm3222) hermafrodit dikawinkan dengan jantan N2, partikel imunogold CPS-6 sering terletak di dalam mitokondria ayah, jauh dari membran mitokondria (Gbr. 2, H dan K, dan Gbr. S5). Karena beberapa mitokondria ayah tidak terkait dengan autofagosom (Gbr. 2H), CPS-6 tampaknya memasuki matriks sebelum perakitan autofagosom. Relokasi CPS-6 ke dalam matriks setelah pembuahan terlihat jelas bila dibandingkan dengan pola lokalisasi protein matriks mitokondria, subunit E2 dari piruvat dehidrogenase (PD-E2, Gambar 2, I ke K). Secara kolektif, analisis mikroskop yang berbeda ini memberikan bukti kuat bahwa mitokondria ayah terdepolarisasi dan rusak secara internal segera setelah pembuahan, yang mengarah pada pelepasan CPS-6 ke dalam matriks untuk mengkatalisis degradasi mtDNA.

Jalur autophagy dan proteasome mempromosikan PME in C. elegan (57). Baik LGG-1, worm LC3/Atg8 homolog yang diperlukan untuk pembentukan autophagosome (11), dan RAD-23, reseptor ubiquitin yang penting untuk degradasi proteasomal (5, 12), bertindak keibuan untuk mempromosikan PME (gbr. S6, A dan B, dan teks tambahan). Analisis mutan ganda dan rangkap tiga di antara cps-6, lgg-1, dan rad-23 menunjukkan bahwa cps-6, lgg-1, dan rad-23 gunakan mekanisme yang berbeda (penghancuran diri mitokondria, autophagy, dan proteasom, masing-masing) untuk mengoordinasikan PME yang cepat dan efisien (gbr. S6, C hingga F).

Karena kehilangan cps-6 slows down autophagosome formation and degradation of paternal mitochondria (Fig. 1), we further interrogated this issue by immunostaining we found that in N2 zygotes, bright LGG-1 staining was seen clustering around MTR-stained paternal mitochondria near the site of sperm entry (fig. S4C), with 81% of paternal mitochondrial clusters colocalizing with LGG-1 autophagosomes (fig. S4E). By contrast, in cps-6(tm3222) zygotes, such colocalization dropped to 43% (fig. S4, D and E), indicating that loss of cps-6 reduces autophagosome formation on paternal mitochondria. Analysis using superresolution structured illumination microscopy (SIM) revealed similar results. In N2 zygotes, the majority (77%) of paternal mitochondria were enclosed by LGG-1 autophagosomes, some (12%) were partially enclosed, and only 11% did not associate with (isolated) autophagosomes (Fig. 3, C and D, and fig. S4, F and H). By contrast, in cps-6(tm3222) zygotes, 51% of paternal mitochondria were isolated and only 29 and 20% of paternal mitochondria were enclosed and partially enclosed by autophagosomes, respectively (Fig. 3, E and F, and fig. S4, G and H). These findings indicate that the CPS-6 self-destruction process is important for efficient recruitment of autophagosomes to paternal mitochondria.

It has been suggested that the high rate of energy consumption during fertilization of an oocyte by many competing spermatozoa leads to increased oxidative damage and mutations in sperm mtDNA (13, 14). Failure to remove paternal mitochondria with mutated mtDNA can cause incompatibility with maternal mitochondria and the nuclear genome and can adversely affect the fitness of animals (1517). Comparison of N2 embryos with uaDf5/+ embryos, with four genes deleted in uaDf5 mtDNA (18), revealed a factor of 23 increase in embryonic lethality from 0.4 to 9.4% (Fig. 4A, assays 1 and 3), indicating that the heteroplasmic presence of mtDNA mutations compromises embryo development. Delayed removal of uaDf5 paternal mitochondria in embryos by loss of cps-6 resulted in a lethality rate of 5.9%, higher by a factor of 5 to 7 than that of cross-fertilized cps-6(tm3222) embryos (0.7%) or that of embryos with no persistent paternal mitochondria (0.8 to 0.9%) (Fig. 4A, assays 4 to 7, and supplementary text). Moreover, delayed clearance of uaDf5 paternal mitochondria slowed cell divisions, an energy-driven process, during C. elegan embryogenesis, because the average durations of cell divisions in two different cell lineages (MS and P) were significantly prolonged in uaDf5/+ embryos and by delayed removal of uaDf5 paternal mitochondria (Fig. 4, B and C, fig. S7, and supplementary text). These results provide evidence that delayed clearance of mutated paternal mitochondria leads to decreased fitness at the cellular and organismal levels and presents an evolutionary disadvantage.

(A ke D) The embryonic lethality rate [(A) and (D)] and durations of cell divisions in the MS lineage (B) and P lineage (C) were scored in self-fertilized embryos (1 to 3) or cross-fertilized embryos from crosses (4 to 7) of the indicated genotypes. All males carried smIs42 and were stained with MTR to assist identification of zygotes [(B) and (C)]. Data are means ± SEM n > 1000 embryos per cross at 25°C [(A) and (D)] and n = 3 embryos per cross at 20°C [(B) and (C)]. *P < 0,05, **P < 0.001 (unpaired Student T tes).

Next, we examined the consequence of delayed removal of wild-type paternal mitochondria by mating two different C. elegan wild-type strains, the Bristol strain (N2) and the Hawaii strain (HA). Delayed removal of wild-type Bristol paternal mitochondria in HA embryos due to loss of paternal cps-6 also resulted in a significantly higher percentage of embryonic lethality than that seen in HA embryos without persistent paternal mitochondria (Fig. 4D, assays 4 and 5, and fig. S6G, matings 2 and 4 see also supplementary text). Therefore, delayed clearance of wild-type paternal mitochondria slightly different from maternal mitochondria also compromises animal development, which suggests that transmission of paternal mitochondria among different wild-type variants is evolutionarily disadvantageous.

Our results show that soon after fertilization, paternal mitochondria are depolarized and lose their inner membrane integrity, which apparently marks them for degradation by autophagy (19, 20). The inner membrane breakdown probably triggers the entry of the intermembrane CPS-6 into the matrix of paternal mitochondria to degrade mtDNA, which encodes 12 mitochondrial proteins, two rRNAs, and 22 tRNAs that are essential for normal functions and maintenance of mitochondria (1, 13, 18). Degradation of mtDNA is detrimental, which accelerates breakdown of paternal mitochondria and could promote, externalization of signals recognized by the autophagy or proteasome machinery (19, 20), leading to PME (fig. S8). Consistent with this model, loss of paternal cps-6 delays internal breakdown of paternal mitochondria and their enclosure and degradation by the autophagy machinery. Interestingly, delayed removal of either mutant or slightly different wild-type paternal mitochondria results in increased embryonic lethality in heteroplasmic animals, likely due to incompatibility in cellular signaling between the mitochondrial and nuclear genomes (15, 17). This provides evidence that persistence of paternal mitochondria compromises animal development and may be the impetus for maternal inheritance of mitochondria. DeLuca and O'Farrell showed that endonuclease G mediated the degradation of sperm mitochondrial DNA during Drosophila spermatogenesis before fertilization and hypothesized that this degradation helped prevent paternal mtDNA transmission (21). In contrast, we find in C. elegan that CPS-6 acts after fertilization to mediate degradation of both paternal mitochondria and mtDNA to facilitate their autophagic degradation. These findings imply a conserved role of endonuclease G in paternal mtDNA elimination and expand the roles of this nuclease beyond apoptosis and mitochondrial maintenance (8, 9, 22).



Reactive oxygen species and sperm mitochondria

Reactive oxygen species (ROS) are a group of free radicals that in high concentration have negative influence on sperm quality and function. Sperm cells, as well as the seminal plasma, possess several antioxidant factors, which are generally able to efficiently counteract this oxidative stress. An unbalance between oxidative stress and ROS scavenging may lead to male infertility. Mitochondria are the major ROS generator, as they convert 0.2–2% of the oxygen taken up by the cells to ROS ( Harper dkk., 2004 Murphy, 2009 ). In spermatozoa, mitochondrial Complex I and Complex III are the major sites for ROS production ( Koppers dkk., 2008 ). In somatic mitochondria additional sources of ROS are Complex II ( Zhang dkk., 1998 ), glycerol 3-phosphate dehydrogenase ( Drahota dkk., 2002 ) or a fraction of p66 Shc , a mitochondrial protein localized in the intermembrane space that produces hydrogen peroxide by accepting electrons from reduced cytochrome C ( Giorgio dkk., 2005 ).

An important area of controversy is to which side of the inner mitochondrial membrane either Complex I or Complex III releases superoxide (either to the mitochondrial matrix side or the cytoplasmic one). Muller dkk. (2004) demonstrated that Complex I-dependent superoxide is exclusively released into the matrix, while Complex III can release superoxide to both sides of the inner mitochondrial membrane. In this way, mtDNA which is localized in the mitochondrial matrix, is exposed to oxidative damage by ROS. mtDNA is highly susceptible to oxidative damage because of its high turnover rate, lack of protection by histones and limited capacity of mitochondria to repair DNA damage. As the molecules of sperm mtDNA are very few (100–1000) as compared with mtDNA content in somatic cells (10 2 –10 4 copies), mtDNA mutations in spermatozoa manifest early as hypospermatogenesis and later as motility defects ( Kumar dkk., 2009 Venkatesh dkk., 2009). Therefore, mtDNA alterations caused by ROS have profound adverse effects on sperm motility and, consequently, on fertility potential ( Folgero dkk., 1993 Kao dkk., 1995, 2004 Spiropoulos dkk., 2002 Diez-Sanchez dkk., 2003 ). In addition, sperm lipoperoxidation damage induced by oxidative stress may be another cause of male infertility ( Storey, 2008 Ramalho-Santos dkk., 2009 ).

On the other hand, it has been suggested that small amounts of mitochondrial ROS are necessary for spermatozoa to acquire fertilizing capabilities ( Griveau & Le Lannou, 1997 ). Co-incubation of spermatozoa with low concentrations of hydrogen peroxide stimulates sperm capacitation, hyperactivation, acrosome reaction and oocyte fusion ( Griveau dkk., 1994 Aitken, 1995 Kodama dkk., 1996 ). ROS such as nitric oxide (NO) and the superoxide anion have also shown to promote capacitation and acrosome reaction ( Griveau dkk., 1995 ).

Reactive oxygen species can therefore show beneficial or detrimental effects on sperm vitality and functions in dependence on their nature and concentration ( de Lamirande & Gagnon, 1995 ). A malfunctioning of mitochondria, or a deficit of antioxidant protection, can negatively affect sperm fertility without a direct interference with sperm motility.


What are Mitochondria?

The “powerhouses of the cell”, that’s how many people know mitochondria. The parts of cells that turn sugars, fats and proteins that we eat, into forms of chemical energy that the body can use to carry on living.

Every living thing is made of cells: tiny compartments contained by a membrane. Cells are the smallest things that can reproduce themselves. When we look inside cells, we see that they have sub-compartments that are smaller still, known as “Organelles” which perform different functions that are essential for the cell to live.

Mitochondria are organelles found in the cells of every complex organism. They produce about 90% of the chemical energy that cells need to survive. No energy no life! So it's easy to see why when mitochondria go wrong, serious diseases are the result, and why it is important we understand how mitochondria work.

However, mitochondria do much more than just produce energy. They also produce chemicals that your body needs for other purposes, break down waste products so they’re less harmful, and recycle some of those waste products to save energy.

Mitochondria also have a special role in making cells die (apoptosis). This may sound strange, but it is vital for the processes of growth and development. Sometimes cells don’t die when they should, and start to grow uncontrollably. This is how a tumour starts to grow, so you shouldn’t be surprised that mitochondria play an important part in cancer and are seen as targets for anti-cancer drugs.

To produce all of that energy, mitochondria require oxygen. Mitochondria effectively burn your food in a carefully controlled way to produce that chemical energy by a process called “oxidative phosphorylation”. And just as a fire goes out without oxygen, if mitochondria lack oxygen, they also stop working => No energy No life!

During a heart attack, or a stroke, the blood stops delivering oxygen to the heart and brain. These two organs do a lot of work and need a lot of energy. Without oxygen, the mitochondria stop working, and the cells in the brain or heart are damaged or even die. Perversely, if the oxygen does return, then the mitochondria get overwhelmed and produce a lot of “free radicals”. These are very reactive chemicals which cause a lot of additional damage - called “Reperfusion injury”.

Where did mitochondria come from?

If you look at mitochondria in detail, they look a lot like miniature cells themselves, so how did they arise? We know that mitochondria were originally bacteria. About 1,500,000,000 years ago, a bacterial cell was engulfed by another cell, but rather than killing each other, the two cells worked together, probably because it was beneficial to each cell.

Mitochondria have their own DNA

One reason we know that mitochondria came from bacteria is that they still contain a tiny amount of DNA that is similar to bacterial DNA. Mitochondrial DNA is about 16,000 bases long and has 37 genes (in humans). The DNA in the nucleus - sequenced during the human genome project - is 3,000,000,000 bases long and has about 25,000 genes. So only about 0.1% of your genes are in your mitochondria. But the mitochondrion needs more than the 37 genes on the mitochondrial genome to work. We think about another 1,500 genes are needed, and they are on the nuclear genome.

Here’s another strange fact about mitochondria - You only get them from your mother. This is because when sperm fertilise an egg, they only pass on the DNA from their nucleus, not their mitochondria. The embryo has all its mitochondria from the mother’s egg. This means that mitochondrial diseases due to mutations on the mitochondrial DNA are only passed on by the mother - they can affect both her sons and daughters - but it will be only her affected daughters who may pass the disease on to their children. However, if the mutations are on the nuclear DNA, then they can be inherited from both the mother and the father.


Biologi/DNA

Abstrak

The analysis of mitochondrial DNA (mtDNA) fills a vital niche in forensic genetics. It is superior to standard nuclear DNA (nDNA) typing when samples have to be identified that do not contain enough nDNA or need to be evaluated with respect to their maternal relatedness. The most commonly applied technology is direct Sanger sequencing and represents the generally accepted technology at court. However, in the past decade, the scientific public and the forensic community in particular have increasingly been exposed to reports claiming sequencing error in mtDNA data that were associated with this laborious analysis and interpretation process. High profile discussions led to a rethinking process that resulted in the generation of new laboratory methods and improved control mechanisms of established data. The mitochondrial phylogeny along which this genome is inherited plays a central role in this process and has aided a significant improvement of the reliability and overall acceptance of mtDNA data.


Study shows mitochondrial DNA can be passed through fathers – what does this mean for genetics?

Mitochondria are the power sources of a cell. Credit: Sebastian Kaulitzk/Shutterstock

Some things you learn in school turn out not to be true, for example that there are just five senses or three states of matter. Now cutting-edge research has added to the list by proving the mitochondria (the power sources in our cells) comes from both our parents and not – as biology students are taught – just from our mothers.

The research, published in PNAS, showed conclusively that, in three unrelated families, mitochondria from the father's sperm had been passed to the children over several generations. Overturning scientific understanding about this fundamental "truth", opens the possibility for better treatment of mitochondrial disorders, which blight many families with devastating disease.

Mitochondria convert the sugars, fats and proteins that we eat into the molecules our cells use to power themselves. So when they go wrong, the result is often catastrophic, resulting in lifelong problems or even the death of an affected baby in the womb.

MELAS syndrome, for example, begins in early childhood and results in seizures and dementia. Kearns-Sayre syndrome causes problems with sight and hearing, potentially leaving the sufferer blind and deaf.

Most of a cell's DNA is contained in its nucleus but mitochondria sit separately inside the cell and have their own DNA. This is because mitochondria are thought to have started as separate organisms, which entered early cells about 1.45 billion years ago and never left. They reproduce themselves and move from one generation to another by "hitching a lift" in the egg.

During fertilisation, the father's sperm transfers his DNA into an egg, but few or none of the sperm's mitochondria get in. If any do, then there are mechanisms designed to destroy them. The new research found that, in a small number of families, the mitochondria from the father that found its way into the egg were not destroyed, though we don't yet know enough to say why. There was also some evidence this mitochondrial DNA from the father may have then been copied as the fertilised egg grew into an embryo even more than that from the mother.

There's a chance that previous research may have also found examples of mitochondria being passed on from fathers but that these results were discounted and assumed to be the result of sample contamination. But with ever-increasing technological advances, cheaper and more in-depth DNA analysis is possible. So it's likely that more and more cases will now be reported.

This work could affect scientists studying the movement of humans around the planet. Human mitochondrial DNA tends to alter very little over time because even tiny changes are often fatal so aren't passed on to future generations. This means a person's mitochondrial DNA is likely to be very similar to that of their distant ancestors and other people from their ethnic group.

So by studying mitochondrial DNA in different populations, scientists have also been able to follow how these groups have moved around the world and even to identify a potential common female ancestor for all humans, known as "mitochondrial Eve". All of this work has, however, been based on the "fact" that mitochondria pass down the female line only, something we now know to be wrong.

The most significant implications of these findings are staggering, because a better understanding of how mitochondria are passed on gives us a much better chance of developing treatments for mitochondrial disorders. It may even be possible to encourage properly functioning mitochondria to multiply inside a fertilised egg at the expense of the broken ones.

Any treatment would likely be controversial, because it would involve influencing someone's DNA in a way that would be inherited by subsequent generations. But the only other current treatment is equally controversial and involves inserting the nucleus from a fertilised egg into a donor egg containing normal mitochondria. This is often described as producing "three-parent babies" and is not permitted in most countries, although the first such baby was born in April 2016. So manipulating the parent's mitochondria instead may be seen as more preferable.

When it comes to our use of mitochondrial DNA to study human evolution and migration, the rarity of the cases identified by the new study means it won't significantly impact our understanding in this area. But if further research suggests that the inheritance of fathers' mitochondrial DNA is more common, our whole understanding of human migration may need to be adjusted.


Tonton videonya: orang mati bunuh diri - Abdul Somad Lc, MA (Februari 2023).