Nuove mutazioni si verificano a velocità crescenti nei genomi mitocondriali degli ovociti in via di sviluppo nelle scimmie rhesus che invecchiano, ma gli aumenti sembrano stabilizzarsi a una certa età e non sono così grandi come quelli osservati nelle cellule non riproduttive, come muscoli e fegato. Un nuovo studio che utilizza una metodologia di sequenziamento del DNA incredibilmente accurata suggerisce che potrebbe esserci un meccanismo protettivo che mantiene il tasso di mutazione nelle cellule riproduttive relativamente basso rispetto ad altri tessuti nei primati, un fatto che potrebbe essere correlato alla propensione dei primati, e quindi umana, a riprodursi in età successive.

"A causa delle malattie negli esseri umani causate da mutazioni nel genoma mitocondriale e della tendenza nelle società umane moderne ad avere figli in età avanzata, è fondamentale capire come le mutazioni si accumulano con l'età", ha affermato Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Scienze alla Penn State e leader del gruppo di ricerca.

"Il mio laboratorio è stato interessato allo studio delle mutazioni, comprese le mutazioni nel DNA mitocondriale, per molto tempo. Siamo anche interessati all'evoluzione, quindi volevamo vedere come le mutazioni nel DNA mitocondriale si accumulano nelle cellule riproduttive perché queste mutazioni possono essere trasmesse a la prossima generazione." Un documento che descrive lo studio, condotto dai ricercatori della Penn State, appare online la settimana del 4 aprile 2022 in The Proceedings of the National Academy of Sciences .

I mitocondri sono organelli cellulari, spesso chiamati la centrale elettrica della cellula a causa del loro ruolo nella produzione di energia, che hanno un genoma separato dal "genoma nucleare" della cellula, che si trova nel nucleo ed è ciò che spesso pensiamo come "il" genoma. Le mutazioni nel DNA mitocondriale contribuiscono a molteplici malattie umane, ma studiare nuove mutazioni è impegnativo perché le vere mutazioni sono difficili da distinguere dagli errori di sequenziamento, che si verificano a un tasso più elevato rispetto al tasso di mutazione per la maggior parte delle tecnologie di sequenziamento.

"Per superare questa difficoltà, abbiamo utilizzato un metodo chiamato 'sequenziamento duplex'", ha affermato Barbara Arbeithuber, ricercatrice post-dottorato presso la Penn State all'epoca della ricerca, che ora è capogruppo di ricerca presso la Johannes Kepler University di Linz in Austria. "Il DNA è composto da due filamenti complementari, ma la maggior parte delle tecniche di sequenziamento esamina solo le sequenze di uno dei filamenti alla volta. Nel sequenziamento duplex, costruiamo sequenze consenso per ciascun filamento individualmente e quindi confrontiamo i due. È estremamente improbabile che gli errori si verifichino accadono nello stesso punto su entrambi i filamenti, quindi quando vediamo un cambiamento su entrambi i filamenti, possiamo essere certi che rappresenti una vera mutazione".

Il team ha sequenziato il genoma mitocondriale da cellule muscolari, cellule epatiche e ovociti, cellule precursori nell'ovaio che possono diventare cellule uovo, in macachi rhesus di età compresa tra 1 e 23 anni. Questa fascia di età copre quasi l'intera durata della vita riproduttiva delle scimmie. I tessuti per lo studio sono stati raccolti opportunisticamente nel corso di diversi anni da centri di ricerca sui primati quando gli animali sono morti per cause naturali o sono stati sacrificati a causa di malattie non legate alla riproduzione. Sono stati utilizzati gli ovociti, e non gli spermatozoi, perché i mitocondri sono ereditati esclusivamente attraverso la linea materna.

Nel complesso, i ricercatori hanno visto un aumento della frequenza di mutazione in tutti i tessuti testati con l'invecchiamento dei macachi. Le cellule del fegato hanno subito il cambiamento più drammatico con un aumento di 3,5 volte della frequenza di mutazione in circa 20 anni. La frequenza di mutazione nel muscolo è aumentata di 2,8 volte nello stesso intervallo di tempo. The mutation frequency in oocytes increased by 2.5-fold up to age nine, at which point it remained steady.

"From a reproductive biology perspective, oocytes are really interesting and special cells," said Francisco Diaz, associate professor of reproductive biology at Penn State. "They are generated prior to birth and sit in the ovary for years and years and years, and then a few of them are activated each reproductive cycle. So, you would expect them to accumulate a lot of mutations over that time, but instead we see that they accumulate mutations for a while and then they do not. This seems to indicate that the germ line—reproductive cells like egg and sperm—may be more resilient than we thought."

In addition to changes in the rate of mutations over time, the research team also identified variation in mutation frequency across the mitochondrial genome, including several hotspots where mutations occurred much more frequently than you would expect by chance that varied by tissue. One of the hotspots was located in the region responsible for copying of mitochondrial genomes.

"Although it is very challenging to perform a study like this in humans, using a primate model species gives us a close approximation," said Makova. "Our results suggest that primate oocytes might have a mechanism to protect or repair their mitochondrial DNA, an adaptation that helps to allow later reproduction. The precise mechanism leading to the plateau in mutation frequency in oocytes remains enigmatic, but it might act at the level of elimination of defective mitochondria or oocytes."