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Zellkern beeinflusst Mitochondrien

Stilisierte Darstellung eines Mitochondriums. (Bild: iLeex/ iStock)

Ein winziger Teil unseres Erbguts sitzt nicht in den Zellkernen, sondern in der DNA der Mitochondrien – der „Kraftwerke“ der Zellen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass diese mitochondriale DNA weniger unabhängig vom Zellkern-Erbgut ist als bislang angenommen. Denn langfristig halten sich in der DNA der Mitochondrien vor allem die Mutationen, die für eine Angleichung von Kern- und mitochondrialer DNA sorgen, wie Genvergleiche enthüllten. Das spricht für einen subtilen Einfluss der Kern-DNA – und könnte auch Konsequenzen für den umstrittenen Einsatz von Spender-Mitochondrien haben.

Der größte Teil unseres Erbguts liegt im Zellkern und wird von beiden Eltern an die Kinder weitergegeben. Neben dieser chromosomalen DNA verfügen wir jedoch über weiteres Genmaterial: 0,1 Prozent unserer DNA liegt in den Mitochondrien, den Energieproduzenten der Zellen. Weil die Mitochondrien nur in den Eizellen, nicht aber den Spermien präsent sind, wird diese mitochondriale DNA über die mütterliche Linie weitergegeben. Nach gängiger Lehrmeinung ist die DNA der Mitochondrien zudem komplett von der Kern-DNA abgekoppelt und von ihr unabhängig. Ein Austausch der Mitochondrien, wie 2012 erstmals bei einem menschlichen Embryo erfolgt, müsste daher problemlos möglich sein – so jedenfalls dachte man bisher.

Nicht jede Mutation wird vererbt

Jetzt jedoch haben Wei Wei von der University of Cambridge und seine Kollegen Hinweise darauf gefunden, dass es doch subtile Einflüsse der Kern-DNA auf die mitochondriale DNA gibt. Für ihre Studie hatten die Forscher das Erbgut von knapp 1526 Müttern und ihren Kindern analysiert und verglichen. Ihr Hauptaugenmerk galt dabei den Mutationen in der mitochondrialen DNA und damit dem Ursprung vieler angeborener Störungen der Funktion dieser Zellkraftwerke. Es ist bekannt, dass ihre Mutationsrate deutlich höher liegt als in der Kern-DNA, nur ein Teil dieser Mutationen aber wird an die Kinder weitergegeben. „Sonst würde jede Generation von einer Zunahme an potenziell schädlichen Genvarianten begleitet werden“, so die Forscher.

Welche Mutationen erhalten bleiben und ob es dabei Auffälligkeiten gibt, haben die Wissenschaftler nun mittels Genvergleichen zwischen Müttern und Kindern untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Weitergabe der mitochondrialen Mutationen offenbar nicht völlig nach dem Zufallsprinzip geschieht. „Wir haben festgestellt, dass bei der Weitergabe der mitochondrialen DNA an die nächste Generation eine Selektion wirksam ist“, sagt Wei. „Sie sorgt dafür, dass manche Mutationen weitervererbt, andere dagegen blockiert werden.“ Nähere Analysen ergaben, dass komplett neue, zuvor unbekannte Mutationen dabei deutlich seltener weitergegeben wurden als bereits bekannte und dass auch die Genregion dafür eine Rolle spielte.

Subtiler Einfluss der Kern-DNA

Auf der Suche nach den Selektionsfaktoren für diese Weitergabe verglichen Wei und sein Team nun gezielt die DNA-Abfolgen der Mitochondrien ihrer Testpersonen mit denen der Kern-DNA von deren Herkunftspopulation. Das Ergebnis: Bei den Personen, deren Mitochondrien-Erbgut ursprünglich aus einer anderen Volksgruppe stammte als ihre Kern-DNA – beispielsweise, weil eine ihrer Vorfahrinnen fremder Herkunft war – gab es Auffälligkeiten. „Die heteroplasmischen Varianten dieser Gruppe stimmten signifikant häufiger mit der Kern-DNA der Herkunftsgruppe überein als mit der ursprünglichen Mitochondrien-Herkunft“, berichten die Forscher. Das deutet darauf hin, dass die neu auftretenden mitochondrialen DNA-Varianten einer Selektion unterliegen, die sie der Kern-DNA angleicht.“

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Konkreter ausgedrückt: Offenbar hat das Erbgut in unserem Zellkern einen Einfluss darauf, welche Mutationen der mitochondrialen DNA weitergegeben werden und welche nicht. „Diese Entdeckung zeigt uns, dass es eine subtile Verbindung zwischen den Mitochondrien und unseren Zellkernen gibt – und dass wir gerade erst beginnen, diese zu verstehen“, erklärt Co-Autor Patrick Chinnery von der University of Cambridge. Dies wirft nicht nur ein neues Licht auf die Verknüpfung von Zellkern und den Kraftwerken der Zelle, es könnte auch Konsequenzen für den umstrittenen Austausch von Mitochondrien bei Embryonen haben. Dieses bisher noch experimentelle Verfahren soll bereits beim Embryo Krankheiten heilen, die durch schädliche Mutationen der mitochondrialen DNA entstehen.

„Die neuen Ergebnisse sprechen dafür, dass dieser Austausch der Mitochondrien doch nicht so simpel ist wie ein Austauschen von Batterien in einem Elektrogerät“, sagt Chinnery. „Das könnte bedeuten, dass bei dieser Behandlung das Genom vom Zellkern der Empfänger und dem mitochondrialen Genom der Spender möglichst angepasst werden muss – ähnlich wie bei einer Organtransplantation.“ Geschieht dies nicht, könnte das sonst möglicherweise zu späteren Gesundheitsproblemen der so erzeugten Kinder führen, warnt der Forscher.

Quelle: Wei Wei (University of Cambridge) et al., Science, doi: 10.1126/science.aau6520

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