Gracias madre por mi DNA mitocondrial

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di Michele Stella

Scorsa settimana si è celebrata la festa della mamma. Diciamolo, la mamma è sempre la mamma. Quindi anche se a qualche giorno di distanza dalla ricorrenza possiamo celebrare un ulteriore motivo per il quale dobbiamo esserle grati: il DNA mitocondriale.

Come sappiamo, il DNA degli organismi eucarioti è immagazzinato in due compartimenti cellulari: nel nucleo e in organelli chiamati mitocondri, deputati alla produzione di energia per consentire le funzioni cellulari. Il DNA mitocondriale (mtDNA) è una molecola circolare a doppia elica, molto più piccola e semplice del DNA contenuto nel nucleo cellulare (3,2 miliardi di paia di basi ed all’incirca 20 000 geni, ndr), nell’uomo il DNA mitocondriale conta di 16.569 paia di basi e 37 geni (che codificano per 13 polipeptidi sintetizzati dai ribosomi mitocondriali, 22 tRNA e 2 rRNA), coinvolti nella produzione di proteine necessarie alla respirazione cellulare.

Molecola d DNA mitocondriale (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondrial_DNA_it.png).

Teoria endosimbiontica di Margulis

L’esistenza del DNA mitocondriale supporta la teoria dell’endosimbiosi, che sostiene che le cellule eucariote apparvero per la prima volta quando una cellula procariote venne assorbita da un’altra cellula senza essere digerita.

La teoria endosimbiontica di Margulis[1], ipotizza che, circa 1,5 miliardi di anni fa, microrganismi del genere Rickettsiales fossero stati fagocitati dagli antenati delle nostre attuali cellule eucariotiche, iniziando un processo di endosimbiosi cellulare che dura fino ai giorni nostri. Tali procarioti divennero indispensabili nei processi cellulari interni, traendo a loro volta numerosi vantaggi dall’internalizzazione, la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. I mitocondri ancora oggi mantengono parte del loro antico retaggio procariote: sono organelli semiautonomi che replicano per scissione binaria, contengono DNA circolare a doppia elica, privo di unità istoniche e i loro ribosomi risultano sensibili all’azione di alcuni antibiotici. (Discorso simile vale per i cloroplasti delle cellule vegetali).

Schema della teoria endosimbiontica (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68096564)

Ereditarietà del DNA mitocondriale

Una delle caratteristiche che rendono il DNA mitocondriale un elemento genetico del tutto peculiare è il modo in cui viene trasmesso: il genoma mitocondriale, infatti, si eredita attraverso la linea femminile. Nonostante gli spermatozoi siano ricchi di mitocondri (necessari a sostenere i movimenti del flagello), al momento della fecondazione non ne viene inoculato alcuno o, se inoculati, vengono degradati da enzimi. Tutto il DNA mitocondriale di un nuovo individuo deriva quindi dalla cellula uovo: per questo motivo, nel caso del genoma mitocondriale si parla di eredità matrilineare. Questa caratteristica è utilizzata dai genetisti per capire, ad esempio, se due persone sono imparentate attraverso la linea femminile oppure per seguire la trasmissione di malattie a carico dei mitocondri.

Nonostante il DNA mitocondriale sia altamente conservato nel regno animale per struttura, dimensioni ed organizzazione, è stata osservata una notevole variabilità a livello della sequenza nucleotidica, i cambiamenti nel DNA mitocondriale sarebbero dovuti a mutazioni spontanee che si verificano a un tasso prevedibile; è stimato che il tasso evolutivo del mtDNA è più alto rispetto a quello del DNA nucleare mutando dello 0,1% ogni 100.000 anni[2]. Nell’ambito della ricerca antropologica, questa caratteristica unita alla trasmissione matrilineare, viene sfruttata per ricostruire l’albero filogenetico dell’evoluzione umana, seguendo a ritroso la storia delle migrazioni umane e il loro mescolamento.

Gli studi sul mtDNA, ad esempio, sono alla base di un progetto che cerca di identificare la cosiddetta Mitochondrial Eve o Eva mitocondriale [2] (CHE NON HA NULLA A CHE VEDERE CON L’EVA DELLA BIBBIA): il confronto molecolare del DNA mitocondriale di diverse popolazioni sembra suggerire che discendiamo tutti da un’ antenata comune vissuta in Africa circa duecentomila anni fa, avvalorando anche l’ipotesi dominante dell’ ”Out of Africa”, secondo cui l’uomo moderno discende da una popolazione ancestrale migrata dall’Africa, in due ondate successive[4]. 

Ma sicuri che è tutto “merito di mamma”?

Quello che i mitocondri e il loro DNA siano ereditati esclusivamente dalla linea femminile è un principio di biologia elementare. Uno studio però suggerisce che anche la linea maschile può contribuire occasionalmente.

Sia pure in casi eccezionali, è possibile che ai figli venga trasmesso anche il DNA mitocondriale paterno. A dimostrarlo è un gruppo internazionale di ricercatori diretto da Taosheng Huang del Mayo Clinic Hospital a Jacksonville, in Florida, che firmano un articolo su “Proceedings of the National Academy of Sciences”[5]. La scoperta non mette in discussione il “dogma centrale” del DNA mitocondriale, ma indica che ci sono ancora da comprendere alcuni dei meccanismi che sovrintendono alla trasmissione mitocondriale.  Studiando alcuni giovanissimi pazienti colpiti da sintomi di patologie mitocondriali, Taosheng Huang e colleghi hanno individuato 17 casi, appartenenti a tre famiglie diverse e non imparentate tra loro, in cui era stata trasmessa per via paterna una parte significativa del DNA mitocondriale.  In quei casi la percentuale di DNA mitocondriale paterno era sufficiente a provocare alcuni sintomi della malattia mitocondriale, che non diventava conclamata solo perché era presente anche mtDNA materno sano.  Secondo lo studio, il fenomeno potrebbe essere legato a una mutazione in un gene che produce un enzima preposto proprio alla distruzione dei mitocondri paterni penetrati nella cellula uovo.  Tuttavia, se la mutazione si limitasse a disattivare la distruzione di quei mitocondri, la percentuale di mtDNA paterno nei soggetti esaminati non avrebbe dovuto superare lo 0,1 per cento di tutto il DNA mitocondriale della cellula, mentre in diversi casi raggiungeva alcune decine di punti percentuali.

L’ereditarietà materna del DNA mitocondriale resta al momento la norma: gracias madre por mi DNA mitocondrial!

In copertina una foto della giovane Lynn Margulis, genetista che ha elaborato la teoria endosimbiontica, barbaramente utilizzata come meme.

REFERENZE

  1. Sagan L. On the origin of mitosing cells. J Theor Biol. 1967;14(3):255‐274. doi:10.1016/0022-5193(67)90079-3
  2. Cann, R., Stoneking, M. & Wilson, A. Mitochondrial DNA and human evolution. Nature 325, 31–36 (1987). https://doi.org/10.1038/325031a0
  3. Brown WM, George M Jr., Wilson AC, Rapid evolution of mitochondrial DNA, in Proc Natl Acad Sci USA, vol. 76, n. 4, 1979, pp. 1967–1971, DOI:10.1073/pnas.76.4.1967, PMC 383514, PMID 109836.
  4. Hugo Reyes-Centeno, Silvia Ghirotto, Florent Détroit, Dominique Grimaud-Hervé, Guido Barbujani, Katerina Harvati. Multiple out-of-Africa modern human dispersals. Proceedings of the National Academy of Sciences May 2014, 111 (20) 7248-7253; DOI: 10.1073/pnas.1323666111
  5. Shiyu Luo, C. Alexander Valencia, Jinglan Zhang, Ni-Chung Lee, Jesse Slone, Baoheng Gui, Xinjian Wang, Zhuo Li, Sarah Dell, Jenice Brown, Stella Maris Chen, Yin-Hsiu Chien, Wuh-Liang Hwu, Pi-Chuan Fan, Lee-Jun Wong, Paldeep S. Atwal, Taosheng Huang. Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans. Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2018, 115 (51) 13039-13044; DOI:10.1073/pnas.1810946115
  6. Pikaia|il portale dell’evoluzione : https://pikaia.eu/ 
  7. https://commons.wikimedia.org/
  8. https://www.nature.com/ 
  9. https://www.lescienze.it/ 
  10. https://www.wikipedia.org/  
  11. http://www.treccani.it/ 

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