Sind Eizellen alternder Primaten vor Mutationen geschützt?

Neue Mutationen treten mit zunehmender Rate in den mitochondrialen Genomen sich entwickelnder Eizellen bei alternden Rhesusaffen auf, aber die Zunahmen scheinen bei einem bestimmten Alter ein Plateau zu erreichen und sind nicht so groß wie bei nicht reproduktiven Zellen wie Muskeln und Leber. Eine neue Studie, die eine unglaublich genaue DNA-Sequenzierungsmethode verwendet, legt nahe, dass es möglicherweise einen Schutzmechanismus gibt, der die Mutationsrate in Fortpflanzungszellen im Vergleich zu anderen Geweben in Primaten relativ niedrig hält, eine Tatsache, die mit der Neigung von Primaten – und damit Menschen – zusammenhängen könnte im späteren Alter reproduzieren.

„Aufgrund der Krankheiten beim Menschen, die durch Mutationen im mitochondrialen Genom verursacht werden, und des Trends in modernen menschlichen Gesellschaften, Kinder in höherem Alter zu bekommen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich Mutationen mit dem Alter anhäufen“, sagte Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Sciences an der Penn State und Leiter des Forschungsteams.

„Mein Labor interessiert sich seit langem für die Untersuchung von Mutationen – einschließlich Mutationen in der mitochondrialen DNA. Wir interessieren uns auch für die Evolution, also wollten wir sehen, wie sich Mutationen in der mitochondrialen DNA in Fortpflanzungszellen ansammeln, weil diese Mutationen weitergegeben werden können die nächste Generation.“ Ein Papier, das die Studie beschreibt, die von Forschern der Penn State geleitet wird, erscheint in der Woche vom 4. April 2022 online Die Proceedings der National Academy of Sciences.

Mitochondrien sind zelluläre Organellen – wegen ihrer Rolle bei der Energieproduktion oft als Kraftwerke der Zelle bezeichnet – die ein eigenes Genom haben, das vom „Kerngenom“ der Zelle getrennt ist, das sich im Zellkern befindet und das ist, woran wir oft denken „das“ Genom. Mutationen in der mitochondrialen DNA tragen zu mehreren menschlichen Krankheiten bei, aber die Untersuchung neuer Mutationen ist eine Herausforderung, da echte Mutationen schwer von Sequenzierungsfehlern zu unterscheiden sind, die im Vergleich zu den Mutationsraten der meisten Sequenzierungstechnologien häufiger auftreten.

„Um diese Schwierigkeit zu überwinden, haben wir eine Methode namens ‚Duplex-Sequenzierung‘ verwendet“, sagte Barbara Arbeithuber, eine Postdoktorandin an der Penn State zum Zeitpunkt der Forschung, die jetzt Forschungsgruppenleiterin an der Johannes Kepler Universität Linz in Österreich ist. „DNA besteht aus zwei komplementären Strängen, aber die meisten Sequenziertechniken betrachten jeweils nur die Sequenzen von einem der Stränge. Bei der Duplex-Sequenzierung erstellen wir Konsensussequenzen für jeden Strang einzeln und vergleichen dann die beiden. Fehler sind äußerst unwahrscheinlich passieren an der gleichen Stelle auf beiden Strängen, wenn wir also Veränderungen auf beiden Strängen sehen, können wir sicher sein, dass es sich um eine echte Mutation handelt.“

Das Team sequenzierte das mitochondriale Genom von Muskelzellen, Leberzellen und Eizellen – Vorläuferzellen im Eierstock, die zu Eizellen werden können – bei Rhesusaffen im Alter von 1 bis 23 Jahren. Diese Altersspanne deckt fast die gesamte reproduktive Lebensspanne der Affen ab. Gewebe für die Studie wurden im Laufe mehrerer Jahre opportunistisch von Primatenforschungszentren gesammelt, wenn Tiere eines natürlichen Todes starben oder aufgrund von Krankheiten getötet wurden, die nicht mit der Fortpflanzung zusammenhängen. Es wurden Eizellen und keine Samenzellen verwendet, da Mitochondrien ausschließlich über die mütterliche Linie vererbt werden.

Insgesamt sahen die Forscher mit zunehmendem Alter der Makaken eine Zunahme der Mutationshäufigkeit in allen getesteten Geweben. Leberzellen erlebten die dramatischste Veränderung mit einer 3,5-fachen Zunahme der Mutationshäufigkeit über etwa 20 Jahre. Die Mutationshäufigkeit im Muskel erhöhte sich im gleichen Zeitraum um das 2,8-fache. Die Mutationshäufigkeit in Oozyten stieg bis zum Alter von neun Jahren um das 2,5-fache und blieb dann konstant.

„Aus reproduktionsbiologischer Sicht sind Eizellen wirklich interessante und besondere Zellen“, sagte Francisco Diaz, außerordentlicher Professor für Reproduktionsbiologie an der Penn State University. „Sie werden vor der Geburt erzeugt und sitzen jahrelang im Eierstock, und dann werden einige von ihnen in jedem Fortpflanzungszyklus aktiviert. Sie würden also erwarten, dass sie in dieser Zeit viele Mutationen ansammeln, aber stattdessen wir sehen, dass sie für eine Weile Mutationen ansammeln und dann nicht mehr. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass die Keimbahn – reproduktive Zellen wie Ei und Sperma – widerstandsfähiger sein könnte, als wir dachten.“

Zusätzlich zu Änderungen in der Mutationsrate im Laufe der Zeit identifizierte das Forschungsteam auch Variationen in der Mutationshäufigkeit im mitochondrialen Genom, einschließlich mehrerer Hotspots, an denen Mutationen viel häufiger auftraten, als man zufällig erwarten würde, die je nach Gewebe variierten. Einer der Hotspots befand sich in der Region, die für das Kopieren mitochondrialer Genome verantwortlich ist.

„Obwohl es sehr schwierig ist, eine solche Studie am Menschen durchzuführen, gibt uns die Verwendung einer Primatenmodellart eine gute Annäherung“, sagte Makova. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Primaten-Oozyten einen Mechanismus haben könnten, um ihre mitochondriale DNA zu schützen oder zu reparieren, eine Anpassung, die hilft, eine spätere Reproduktion zu ermöglichen. Der genaue Mechanismus, der zu dem Plateau der Mutationshäufigkeit in Oozyten führt, bleibt rätselhaft, aber er könnte auf der Ebene wirken der Eliminierung defekter Mitochondrien oder Eizellen.“