Las nuevas mutaciones ocurren a tasas crecientes en los genomas mitocondriales de los óvulos en desarrollo en los monos rhesus que envejecen, pero los aumentos parecen estabilizarse a cierta edad y no son tan grandes como los que se observan en las células no reproductivas, como el músculo y el hígado. Un nuevo estudio que utiliza una metodología de secuenciación de ADN increíblemente precisa sugiere que puede haber un mecanismo protector que mantiene la tasa de mutación en las células reproductivas relativamente más baja en comparación con otros tejidos en los primates, un hecho que podría estar relacionado con la propensión de los primates, y por lo tanto de los humanos, a reproducirse en edades posteriores.

"Debido a las enfermedades en humanos causadas por mutaciones en el genoma mitocondrial y la tendencia en las sociedades humanas modernas de tener hijos a edades más avanzadas, es fundamental comprender cómo se acumulan las mutaciones con la edad", dijo Kateryna Makova, Verne M. Willaman Presidenta de Life. Ciencias en Penn State y líder del equipo de investigación.

"Mi laboratorio ha estado interesado en estudiar mutaciones, incluidas las mutaciones en el ADN mitocondrial, durante mucho tiempo. También estamos interesados ​​en la evolución, por lo que queríamos ver cómo las mutaciones en el ADN mitocondrial se acumulan en las células reproductivas porque estas mutaciones pueden transmitirse a la próxima generación." Un artículo que describe el estudio, dirigido por investigadores de Penn State, aparece en línea la semana del 4 de abril de 2022 en The Proceedings of the National Academy of Sciences .

Las mitocondrias son orgánulos celulares, a menudo llamados el motor de la célula debido a su papel en la producción de energía, que tienen un genoma propio separado del "genoma nuclear" de la célula, que se encuentra en el núcleo y es lo que a menudo consideramos como "el" genoma. Las mutaciones en el ADN mitocondrial contribuyen a múltiples enfermedades humanas, pero estudiar nuevas mutaciones es un desafío porque las mutaciones verdaderas son difíciles de distinguir de los errores de secuenciación, que ocurren a una tasa más alta en comparación con la tasa de mutación de la mayoría de las tecnologías de secuenciación.

"Para superar esta dificultad, utilizamos un método llamado 'secuenciación dúplex'", dijo Barbara Arbeithuber, investigadora postdoctoral en Penn State en el momento de la investigación y ahora líder del grupo de investigación en la Universidad Johannes Kepler de Linz en Austria. "El ADN se compone de dos cadenas complementarias, pero la mayoría de las técnicas de secuenciación solo observan las secuencias de una de las cadenas a la vez. En la secuenciación dúplex, construimos secuencias de consenso para cada cadena individualmente y luego comparamos las dos. Es muy poco probable que se produzcan errores. ocurrir en el mismo lugar en ambos hilos, por lo que cuando vemos un cambio en ambos hilos, podemos estar seguros de que representa una verdadera mutación".

El equipo secuenció el genoma mitocondrial de células musculares, células hepáticas y ovocitos (células precursoras en el ovario que pueden convertirse en óvulos) en macacos rhesus que tenían entre 1 y 23 años de edad. Este rango de edad cubre casi toda la vida reproductiva de los monos. Los tejidos para el estudio se recolectaron de manera oportunista a lo largo de varios años de centros de investigación de primates cuando los animales morían por causas naturales o eran sacrificados por enfermedades no relacionadas con la reproducción. Se usaron ovocitos, y no espermatozoides, porque las mitocondrias se heredan exclusivamente a través de la línea materna.

En general, los investigadores observaron un aumento en la frecuencia de mutaciones en todos los tejidos analizados a medida que los macacos envejecían. Las células hepáticas experimentaron el cambio más dramático con un aumento de 3,5 veces en la frecuencia de mutación durante aproximadamente 20 años. La frecuencia de mutación en el músculo aumentó 2,8 veces durante el mismo lapso de tiempo. 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."