Kako se pomoću svega 37 gena proniknulo u tajne prvog čovjeka na Zemlji

Suhoparna objava da su znanstvenici iz Cincinnatija dokazali kako se mitohondriji mogu nasljeđivati i po očinskoj liniji malo znači bez konteksta, piše Tamara Čačev. Jedna od konzekvenci ukazuje na potrebu da se reevaluira i medijski eksploatirana priča o hipotetskoj mitohondrijskoj Evi, odnosno prvoj ženi u našoj vrsti

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković

U vrijeme kada se obično pobrajaju događaji koji su na neki način obilježili proteklu godinu, jedna je znanstvena vijest možda prošla nedovoljno zapaženo. Radi se o rezultatima istraživanja znanstvenika iz dječje bolnice u  Cincinnatiju kojim su dokazali kako se mitohondriji mogu nasljeđivati i po očinskoj liniji.¹ Istina, ovakva suhoparna objava bez konteksta teško da može izazvati euforiju široke javnosti kao što to primjerice izaziva potencijalno editiranje genoma čovjeka, no također može imati značajne posljedice.

Najprije se treba podsjetiti što su to uopće mitohondriji?  Najjednostavnije objašnjenje jest da se radi o malim tvornicama energije unutar stanice koje kroz niz složenih procesa pretvaraju energiju iz hrane koju živi organizmi konzumiraju u kemijski oblik kakav je zapravo iskoristiv na molekularnoj razini unutar stanice (Slika 1). Očuvana funkcionalnost mitohondrija u starosti je prema nekim studijama preduvjet za dugovječnost, dok su oštećenja mitohondrija također povezana s neurodegenerativnim bolestima poput amiotrofične lateralne skleroze (u javnosti prepoznate kroz izazov polijevanja vodom) ili Alzheimerove bolesti.

Slika 1. Životinjska stanica s pojedininm funkcijskim odjeljcima (organelima) pod elektronskim mikroskopom pruzeto iz https://slideplayer.com/slide/6955807/

Interesantno je kako su današnje stanice zapravo došle do ovih organela. Prema simbiogenezi odnosno endosimbiotskoj teoriji, današnje stanice svih složenih živih organizama (preciznije eukariota) su sposobnost obavljanja kompleksnijih funkcija postigle stjecanjem novih organela kao što su kloroplasti kod biljaka i mitohondriji kod biljaka i životinja i to tako da su „zarobile“ u endosimbiozu slobodno živuće prokariotske stanice sa tim funkcionalnim sposobnostima. U slučaju kloroplasta pretpostavlja se da se najvjerojatnije radilo o cijanobakterijama koje imaju sposobnost fotosinteze, dok se kao preteče današnjih mitohondrija navode proteobakterije (Slika 2).²

Dokaza u prilog ovoj teoriji ima više, no jedan od značajnijih jest da su mitohondriji i kloroplasti i danas sačuvali dio vlastite genomske DNA koja po svojim specifičnostima ima više srodnosti s genomima organizama od kojih su potekli nego sa molekulama DNA koja se nalaze u jezgri stanica u kojima se ti organeli nalaze. Mitohondriji imaju kružnu molekulu DNA koja je zbog svoje relativno male veličine od oko 16 000 parova baza bila prvi dio genoma čovjeka koji je sekvenciran. Mitohondrijska DNA čovjeka sadrži 37 gena koji kodiraju proteine uključene u najesencijalnije kemijske procese pretvorbe energije unutar stanice. Također kodiraju i za molekule koje sudjeluju u procesu nastanka tih proteina. Zanimljivo je da su ti geni zapravo ono što je preostalo nakon što se tijekom vremena veći dio gena s mitohondrijske DNA preselio u DNA koja se nalazi u jezgri pa tako brojni proteini koji danas obnašaju razne funkcije u samom mitohondriju u njega dolaze iz ostatka stanice. Nije do kraja razjašnjeno zašto je ovih 37 gena tijekom evolucije u stanicama čovjeka ostalo i dalje u mitohondrijima, no pretpostavlja se da je to vjerojatno zato što je neke od tih molekula „tehnički“ najmanje zahtjevno proizvoditi u samom mitohondriju.

Slika 2. Endosimbiotska teorija nastanka mitohondrija  preuzeto iz  https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/5-celulas/1-endosimbiosis.php

Još je jedna zanimljivost vezana uz  mitohondrije a to je da se kod većine vrsta pa tako i kod čovjeka (uz izuzetke nekolicine biljaka, algi ili kukaca), nasljeđuju isključivo po majčinoj liniji, ili se barem do objave studije s početka ovog članka tako mislilo. Nije ovo mišljenje bilo neutemeljeno jer zapravo  sve do ove studije nitko sa sigurnošću nije dokazao mogućnost nasljeđivanja mitohondrija po očinskoj liniji kod ljudi te je i samim autorima trebalo nekoliko provjera u drugim laboratorijima kako bi se potvrdio njihov nalaz. Također, danas je poznato i razjašnjeno više molekularnih mehanizama kojima se mitohondriji po očinskoj liniji prije, tijekom ili nakon oplodnje jajne stanice aktivno eliminiraju kako bi u oplođenoj jajnoj stanici bili prisutni samo mitohondriji iz majčinske stanice. Stoga možemo reći kako je ovom studijom narušena jedna od dogmi moderne biologije, iako osobno ne volim takve kvalifikacije budući da je to terminologija koja nema previše veze s time kako znanost funkcionira.

Što su zapravo ovi znanstvenici napravili? U svojoj studiji analizirali su obitelji s nasljednim mitohondrijskim bolestima i otkrili kako je kod 17 članova ovih obitelji utvrđena prisutnost mitohondrija koje su naslijedili i od majke i od oca. Sve je krenulo od jednog člana obitelji kojem je rađeno genetičko testiranje zbog sumnje na mitohondrijsku bolest no nisu pronađene mutacije koje bi na to ukazivale. Umjesto toga pronađena je neuobičajeno velika varijabilnost sekvenci mitohondrijske DNA. Kada su u analizu uključeni i ostali članovi obitelji uočen je specifični obrazac nasljeđivanja ovih varijabilnosti koji je ukazivao da se one nasljeđuju po majčinoj ali i po očevoj liniji i to tri generacije unatrag s majčine strane što se smatralo nemogućim nalazom (Slika 3).²  

Slika 3. Prikaz obiteljskog stabla iz kojeg je vidljivo nasljeđivanje mitohondrija od oba roditelja. Preuzeto iz https://www.nature.com/articles/d41586-019-00093-1

Kada se dobije ovakav „nemoguć“ nalaz molekularno-genetičkog testiranja odmah se rade dodatne provjere te je stoga ova ista analiza provedena i u dva potpuno neovisna laboratorija koja su također dobila isti neočekivani rezultat. Naknadnim analizama uzoraka mitohondrijske DNA u  dvije druge obitelji utvrđen je također ovakav obrazac nasljeđivanja. Ovo je bio dovoljan dokaz kako je nasljeđivanje mitohondrija po očevoj liniji u ljudi ipak moguće te su rezultati objavljeni u prestižnom znanstvenom časopisu PNAS. Zasad nije razjašnjeno kako je do ove pojave došlo i koliko je to zapravo učestala pojava u općoj populaciji. Postoje razmišljanja kako se možda radi o rijetkim mutacijama u genima ključnim za proces eliminacije očinskih mitohondrija te je stoga njihova eliminacija onemogućena.

No, zašto bi bilo važno znati  da se mitohondriji, iako iznimno rijetko, mogu nasljeđivati i po očevoj liniji? Konsekvence ovog otkrića su relevantne za bazičnu znanost ali i za medicinu pa čak i etičnost nekih postupaka koje je moderna biomedicina učinila mogućim.

Ako krenemo od čisto znanstvenih reperkusija važno je istaknuti kako se upravo mitohondrijska DNA i činjenica kako se ona prenosi isključivo po majčinskoj liniji koristila kao temeljna ideja molekularno-filogenetskih studija i evolucijske biologije. Temeljem praćenja mutacija u mitohondrijskoj DNA moglo se kroz različite vrste unatrag rekonstruirati kada se koja od njih odvojila od nekog zajedničkog pretka te nastavila svojim putem evolucije. Ideja je bila da su mutacije do razdvajanja vrsta zajedničke pa će tako biti prisutne i u pretku, dok će nakon razdvajanja vrste kroz vrijeme nakupljati svoj set mutacija koji je za njih specifičan i tako opet kroz evoluciju dalje do novog razdvajanja.

Dakle, određivanjem mutacija u mitohondrijskoj DNA moglo se na temelju njihove veće ili manje sličnosti utvrditi koje su se vrste i kada odvojile u nekom trenutku evolucije, pa čak približno i o kojem se vremenu radilo jer je stopa odnosno brzina kojom se mutacije događaju barem okvirno danas poznata. Također se tako mogla preciznije odrediti srodnost nekih vrsta koja se do upotrebe molekularno genetičkih analiza temeljila na metodama klasične opisne biologije kakva nam je poznata još iz Darwinovog doba.

Analiza mitohondrijske DNA se koristila i za određivanje srodnosti populacija unutar neke vrste što je osobito bilo korisno u antropološkim analizama migracija čovjeka te biogeografiji. Nasljeđivanje mitohondrija po očinskoj liniji ukazivalo bi na potrebu da se ove studije reevaluiraju pa tako i prilično medijski eksploatirana priča o hipotetskoj mitohondrijskoj Evi, odnosno prvoj ženi u našoj vrsti. Već u vrijeme svojeg objavljivanja krajem 80-tih godina prošlog stoljeća ova je hipoteza izazvala dosta kontroverzi jer se u studiji temeljem analize mitohondrijske DNA tvrdilo kako svi mi zapravo potičemo od jedne žene,“mitohondrijske Eve“, koja je živjela prije približno 200 tisuća godina u Africi.⁴  No, ukoliko bi se pokazalo kako nasljeđivanje mitohondrija po očinskoj liniji i nije tako rijedak događaj kroz evoluciju, tada bi se i ova studija morala staviti u novi kontekst. Po sličnom principu se u filogenetskim analizama također koristi analiza sekvenci DNA koje se nalaze na Y kromosomu. No, budući da je, ovdje ipak nedvojbeno, jasno kako se on nasljeđuje isključivo od oca ovim analizama tako se, bar u teoriji, može doći unatrag sve do prvog muškarca na zemlji odnosno  Y-kromosomskog Adama.⁵

Ako se prebacimo na područje suvremene biomedicine, biparentalno nasljeđivanje mitohondrija može također biti od značaja kako za bolje shvaćanje mitohondrijskih bolesti tako i za pronalaženje potencijalnih novih terapijskih smjerova za njihovo preveniranje. U najužem smislu mitohondrijske bolesti su skupina izuzetno kompleksnih uglavnom nasljednih bolesti do kojih dolazi uslijed nasljeđivanja mutacija u mitohondrijskoj DNA, iako rijetko neke od njih mogu biti i stečene tijekom života. Kako smo prije razjasnili, budući da su geni koje kodiraju mitohondriji od esencijalne važnosti za život svake stanice, jasno je i da su posljedice njihovih mutacija vrlo ozbiljne. Kako se mitohondriji nasljeđuju po majci tako se nasljeđuju i ove bolesti.  Jedina „olakotna“ okolnost u etiologiji ovih bolesti jest da u svakoj stanici mitohondrija ima jako puno a mutacija ne mora biti prisutna u svima. Prilikom dioba stanica mitohondriji se nasumično raspoređuju tako da postoji šansa da mutacija u konačnici bude više ili manje kompenzirana aktivnošću ispravnih gena u zdravim mitohondrijima i možda prenesena u manjoj količini upravo u jajne stanice koje su bitne za prijenos bolesti u iduću generaciju.

Ne postoji lijek za ove bolesti, stoga je 2016. godine kao jedno od rješenja predložena i izvršena potpomognuta oplodnja koja je uključivala donaciju mitohondrija (engl. mitochondrial replacement therapy) a koja je u široj javnosti ostala zapamćena kao rođenje djeteta s troje roditelja.⁶ Princip ove tehnike bio je da se iz jajne stanice donorice izbaci njezina jezgra, a ostavi sva funkcionalna „mašinerija“ uključujući i zdrave mitohondrije te da se zatim unese samo jezgra uzeta iz jajne stanice žene s mitohondrijskom bolešću. Zatim se takva jajna stanica oplodi muškom spolnom stanicom in vitro. Rođeno dijete tako ima većinu svoje DNA od oca i majke te 37 mitohondrijskih gena  poteklih od donorice. Iako je ovaj postupak dokumentiran, potaknuo je debate o etičnosti te je  cijeli postupak odobravanja ove potpomognute oplodnje bio medijski eksponiran.⁷ Otkriće biparentalnog nasljeđivanja mitohondrija sasvim sigurno će otvoriti put razjašnjavanju dosad nepoznatih molekularnih mehanizama koji ipak omogućuju da dijete naslijedi mitohondrije i od oca. Kada bi se znalo kako se takav proces može potaknuti, moglo bi se potencijalno razviti nove terapijske pristupe kojima bi se kod ovakvih slučajeva inducirao prijenos mitohondrija s oca na dijete tijekom oplodnje.

I konačno, na razini zabave, temeljem ovog otkrića mogli bi se preispitati i u zadnje vrijeme posebno u SAD popularni testovi kojima se utvrđivalo etničko porijeklo pojedinca a koji u svoje analize uključuju i podatke dobivene analizom mitohondrijske DNA.  Možda bi neki nezadovoljnici mogli tražiti i povrat novaca, što ipak najvjerojatnije neće biti slučaj jer su greške koje bi se biparentalnim nasljeđivanjem uvele u algoritme ovih analiza ipak relativno rijetke.

Nadam se da sam kroz ovaj tekst barem djelomično predočila često puta zamršeni put od svijeta laboratorija do onoga što se tiče naših života, odnosno kako neko usko specijalizirano otkriće iskazano na gotovo nerazumljivom tehničkom jeziku kojim se znanstvenici služe ponekad može imati dalekosežne posljedice u  životu ljudi.

Literatura:

1) Luo S, et al. (2018) Biparental inheritance of mitochondrial DNA in humans. Proc Natl Acad Sci USA, 10.1073/pnas.1810946115

2) https://www.the-scientist.com/daily-news/mitochondrias-bacterial-origins-upended-33345

3)https://www.nature.com/articles/d41586-019-00093-1

4) https://www.theguardian.com/science/2011/apr/25/mitochondrial-dna-human-evolution

5) https://en.wikipedia.org/wiki/Y-chromosomal_Adam

6) https://www.the-scientist.com/the-nutshell/details-of-first-three-parent-ivf-revealed-31715

7)https://www.the-scientist.com/critic-at-large/opinion-ethical-considerations-of-three-parent-babies-32320