Nieuwe mutaties treden in toenemende mate op in de mitochondriale genomen van zich ontwikkelende eicellen bij ouder wordende resusapen, maar de toename lijkt op een bepaalde leeftijd te stabiliseren en is niet zo groot als die in niet-reproductieve cellen, zoals spieren en lever. Een nieuwe studie met behulp van ongelooflijk nauwkeurige DNA-sequencing-methodologie suggereert dat er mogelijk een beschermend mechanisme is dat de mutatiesnelheid in voortplantingscellen relatief lager houdt in vergelijking met andere weefsels bij primaten, een feit dat verband kan houden met de neiging van primaten - en dus van de mens - om reproduceren op latere leeftijd.

"Vanwege de ziekten bij mensen die worden veroorzaakt door mutaties in het mitochondriale genoom en de trend in moderne menselijke samenlevingen om kinderen op oudere leeftijd te krijgen, is het van vitaal belang om te begrijpen hoe mutaties zich ophopen met de leeftijd", zegt Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life. Sciences bij Penn State en een leider van het onderzoeksteam.

"Mijn laboratorium is al heel lang geïnteresseerd in het bestuderen van mutaties, waaronder mutaties in mitochondriaal DNA. We zijn ook geïnteresseerd in evolutie, dus we wilden zien hoe mutaties in mitochondriaal DNA zich ophopen in voortplantingscellen, omdat deze mutaties kunnen worden doorgegeven aan de volgende generatie." Een paper waarin de studie wordt beschreven, onder leiding van onderzoekers van Penn State, verschijnt online in de week van 4 april 2022 in The Proceedings of the National Academy of Sciences .

Mitochondriën zijn cellulaire organellen - vaak de krachtpatser van de cel genoemd vanwege hun rol in de energieproductie - die een eigen genoom hebben dat gescheiden is van het 'nucleaire genoom' van de cel, dat zich in de kern bevindt en is wat we vaak beschouwen als "het" genoom. Mutaties in mitochondriaal DNA dragen bij aan meerdere menselijke ziekten, maar het bestuderen van nieuwe mutaties is een uitdaging omdat echte mutaties moeilijk te onderscheiden zijn van sequentiefouten, die sneller optreden in vergelijking met de mutatiesnelheid voor de meeste sequentietechnologieën.

"Om deze moeilijkheid te overwinnen, hebben we een methode gebruikt die 'duplex sequencing' wordt genoemd", zegt Barbara Arbeithuber, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State ten tijde van het onderzoek en nu een onderzoeksgroepleider aan de Johannes Kepler University Linz in Oostenrijk. "DNA is samengesteld uit twee complementaire strengen, maar de meeste sequencing-technieken kijken alleen naar de sequenties van één van de strengen tegelijk. Bij duplex-sequencing bouwen we consensussequenties voor elke streng afzonderlijk en vergelijken dan de twee. Het is uiterst onwaarschijnlijk dat fouten optreden gebeuren op dezelfde plaats op beide strengen, dus als we verandering op beide strengen zien, kunnen we erop vertrouwen dat het een echte mutatie vertegenwoordigt."

Het team heeft het mitochondriale genoom gesequenced van spiercellen, levercellen en eicellen - voorlopercellen in de eierstok die eicellen kunnen worden - in resusapen die in leeftijd varieerden van 1 tot 23 jaar. Deze leeftijdscategorie omvat bijna de gehele reproductieve levensduur van de apen. Weefsels voor het onderzoek werden in de loop van meerdere jaren op opportunistische wijze verzameld bij onderzoekscentra voor primaten toen dieren stierven aan natuurlijke oorzaken of werden opgeofferd vanwege ziekten die geen verband hielden met voortplanting. Eicellen, en geen zaadcellen, werden gebruikt omdat mitochondriën uitsluitend via de moederlijn worden geërfd.

Over het algemeen zagen de onderzoekers een toename van de mutatiefrequentie in alle geteste weefsels naarmate de makaken ouder werden. Levercellen ondervonden de meest dramatische verandering met een 3,5-voudige toename van de mutatiefrequentie gedurende ongeveer 20 jaar. De mutatiefrequentie in spieren nam in dezelfde tijdspanne met een factor 2,8 toe. 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."