Es ist einer der Grundgedanken der Biologie: Wir bekommen unsere DNA von unserer Mutter und unserem Vater. Aber eine bemerkenswerte Ausnahme hat Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrt: Die meisten Tiere, darunter auch Menschen, erben die DNA in ihren Mitochondrien – den Energiezentren der Zelle – allein von ihren Müttern, wobei alle Spuren des mitochondrialen Genoms ihres Vaters in dem Moment zerstört werden, in dem sich das Spermium mit der Eizelle verbindet.
Eine neue Studie der University of Colorado Boulder veröffentlicht 4. Okt. im Journal Wissenschaftliche Fortschritte Wirft ein neues Licht darauf, warum dies geschieht, und zeigt, dass ein Scheitern des Prozesses und das Eindringen väterlicher Mitochondrien in einen sich entwickelnden Embryo bei Erwachsenen zu dauerhaften neurologischen, Verhaltens- und Fortpflanzungsproblemen führen kann.
Die an Spulwürmern durchgeführte Studie liefert neue Hinweise darauf, was einige mitochondriale Störungen auslösen kann, die die Fähigkeit des Körpers zur Energieproduktion beeinträchtigen und insgesamt etwa 1 von 5.000 Menschen betreffen. Es stellt auch einen neuartigen Ansatz zur potenziellen Vorbeugung oder Behandlung vor – ein einfaches Vitamin namens Vitamin K2.
„Diese Ergebnisse liefern wichtige neue Erkenntnisse darüber, warum väterliche Mitochondrien während der frühen Entwicklung schnell entfernt werden müssen“, sagte der leitende Autor Ding Xue, Professor an der Abteilung für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie (MCDB) der CU Boulder. „Sie bieten auch neue Hoffnung für die Behandlung menschlicher Krankheiten, die durch eine Beeinträchtigung dieses Prozesses verursacht werden können.“
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Mitochondrien werden oft als zelluläre Batterien bezeichnet und produzieren Adenosintriphosphat (ATP), die Energie, die praktisch alle Zellfunktionen antreibt.
Mitochondrien haben ihre eigene DNA, die typischerweise ausschließlich von der Mutter weitergegeben wird.
Im Jahr 2016 veröffentlichte Xue eines davon erste Arbeiten um zu erklären, wie väterliche Mitochondrien ausgelöscht werden – über einen vielschichtigen Selbstzerstörungsmechanismus, der als „väterliche Mitochondrienelimination (PME)“ bekannt ist, ein Prozess, der bei Würmern, Nagetieren und Menschen gleichermaßen dokumentiert ist.
„Es könnte für einen Mann demütigend sein, das zu hören, aber es ist wahr“, scherzte Xue. „Unser Stoff ist so unerwünscht, dass die Evolution mehrere Mechanismen entwickelt hat, um sicherzustellen, dass er während der Reproduktion entfernt wird.“
Einige haben die Theorie aufgestellt, dass die Mitochondrien der Spermien erschöpft und genetisch geschädigt sind, nachdem sie mit Millionen anderer Spermien darum gekämpft haben, in eine Eizelle einzudringen, was bei einer Weitergabe an zukünftige Generationen evolutionär katastrophal wäre.
Xue und sein Team wollten herausfinden, was passiert, wenn väterliche Mitochondrien sich nicht selbst zerstören.
Sie untersuchten C. elegans, einen durchscheinenden Wurm, der nur 1.000 Zellen enthält, aber ein Nervensystem, einen Darm, Muskeln und andere Gewebe entwickelt, die denen des Menschen ähneln.
Dem Team gelang es nicht, PME in den Würmern vollständig zu stoppen – ein Beweis dafür, wie widerstandsfähig dieser Evolutionsprozess ist. Aber sie konnten es um etwa 10 Stunden verzögern. Als sie dies in befruchteten Eiern taten, führte dies zu einer erheblichen Verringerung des ATP. Wenn die Würmer überhaupt überlebten, wiesen sie eine beeinträchtigte Wahrnehmung, eine veränderte Aktivität und Schwierigkeiten bei der Fortpflanzung auf.
Als die Forscher die Würmer mit einer Form von Vitamin K2 behandelten, die als MK-4 bekannt ist (am besten als Nahrungsergänzungsmittel für die Knochengesundheit bekannt), stellte dies den ATP-Spiegel in den Embryonen wieder auf den Normalwert und verbesserte das Gedächtnis, die Aktivität und die Fortpflanzung bei den erwachsenen Würmern.
Hoffnung auf schwer behandelbare Krankheiten
Die Autoren weisen darauf hin, dass es nur eine gibt wenige dokumentierte Fälle in dem möglicherweise väterliche mitochondriale DNA bei erwachsenen Menschen gefunden wurde. Ein 28-jähriger Mann hatte Atembeschwerden, schwache Muskeln und konnte körperliche Betätigung nicht ertragen. Ein anderer Artikel beschreibt 17 Mitglieder von drei unabhängigen Familien mit mehreren Generationen, die unter Müdigkeit, Muskelschmerzen, Sprachverzögerungen und neurologischen Symptomen litten.
Bei größeren Tieren sind weitere Untersuchungen erforderlich, aber Xue vermutet, dass in einigen Fällen, wie bei den Würmern, eine bloße Verzögerung der PME schwer zu diagnostizierende Krankheiten beim Menschen auslösen könnte.
„Wenn Sie ein ATP-Problem haben, kann sich das auf jede Phase des menschlichen Lebenszyklus auswirken“, sagte er.
Xue stellt sich einen Tag vor, an dem einige Familien mit einer Vorgeschichte mitochondrialer Störungen als Vorsichtsmaßnahme vor der Geburt Vitamin K2 einnehmen. Die Studie und die laufende Forschung des Labors könnten auch zu neuen Möglichkeiten zur Diagnose oder Behandlung solcher Störungen führen.
„Es gibt viele Krankheiten, die kaum verstanden werden. Niemand weiß wirklich, was vor sich geht. Diese Forschung liefert Hinweise“, sagte Xue.
Weitere Informationen:
Hu Zhang et al.: Eine mäßige embryonale Verzögerung der väterlichen Mitochondrieneliminierung beeinträchtigt die Paarung und die Wahrnehmung und verändert das Verhalten erwachsener Tiere. Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp8351