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Gibt es einen Grund für die Variation der mitochondrialen DNA-Größe?

Gibt es einen Grund für die Variation der mitochondrialen DNA-Größe?


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Als mein Lehrbuch Eine Einführung in die genetische Analyse weist darauf hin, dass die mitochondriale DNA von Hefe ungefähr 78 kb an genetischen Daten enthält, während die mitochondriale DNA des Menschen 17 kb enthält. Gibt es einen evolutionären Grund für diese drastische Größenänderung? Gibt es auch Besonderheiten in der mitochondrialen Funktion, die durch diese Verkleinerung beeinträchtigt wurden?


Verweise

  • Griffiths, Anthony J.F. Eine Einführung in die genetische Analyse. New York: W. H. Freeman, 2000.

Einer der Faktoren, die zur Größe des mitochondrialen Genoms der Hefe beitragen, sind "egoistische" mobile genetische Elemente, die als Homing-Endonukleasen-Gene (HEGs) bezeichnet werden. Diese Gene werden typischerweise in Introns gefunden, die ortsspezifische DNA-Endonukleasen kodieren. Diese Endnoclueasen spalten das HEG- Allele während der Hefepaarung, die zur DNA-Rekombination mit dem HEG . führt+ Allel als Vorlage. Ich vermute, dass im Laufe der Zeit die Organismen komplexer werden und HEGs nicht mehr mobilisieren können, dass sie im Genom des Organismus fixiert werden. Nach der Fixierung besteht kein Selektionsdruck, um den offenen Leserahmen des HEG oder des Introns, das darin kodiert ist, aufrechtzuerhalten (ref). Dies führt schließlich zum Verlust des HEG und des Introns, da sie dem Genom des Organismus keinen wirklichen Nutzen bringen.

Ich weiß nicht, wie viel vom mitochondrialen Genom der Hefe von diesen Introns aufgenommen wird. Ich glaube, dass es 4 von ihnen in Hefe gibt, einige der Introns benötigen auch reverse Transkriptase zum Spleißen und zur Mobilität. Andere Pilzarten können viel mehr Introns haben und manchmal seltsame Dinge wie Introns, die in Introns eingebettet sind.


Kürzere DNA würde eine einfachere Synthese ermöglichen, aber mehr Introns könnten mehr verschiedene Transkriptionsfaktoren ermöglichen, um die Genexpression zu beeinflussen.

Menschliche Mitochondrien müssen wahrscheinlich nicht so anpassungsfähig sein wie Mitochondrien in Hefe, da die Umgebung einer menschlichen Zelle tendenziell stabiler ist. Dies könnte ein brauchbarer Grund dafür sein, warum menschliche Mitochondrien nicht so viele Introns benötigen, aber so stelle ich mir die Dinge nur vor. Ich habe keine Beweise oder Erfahrung, um dies zu bestätigen - es ist nur eine Möglichkeit.


Multizellulär haben mt-DNA, die 14 - 20 kb enthält, aber Planta haben mt-DNA, die 200 -2500 kb enthält. Hefe mt-DNA ist dazwischen. Es scheint, dass die Rolle der Mitochondrien eher ihre Größe als ihre Evolution bestimmt.lífið


Analyse der genetischen Variation in mitochondrialer DNA, Y-Chromosom-Sequenzen und MC1R beleuchtet die Abstammung der nigerianischen einheimischen Schweine

Die Geschichte der Schweinepopulationen in Afrika bleibt aufgrund unzureichender Beweise aus archäologischen und genetischen Daten umstritten. Zuvor wurde eine westliche Abstammung für westafrikanische Schweine anhand von Loci berichtet, die an der Bestimmung der Fellfarbe beteiligt sind. Wir untersuchten die genetische Vielfalt nigerianischer indigener Schweine (NIP), indem wir gleichzeitig die Variation der mitochondrialen DNA (mtDNA), der Y-Chromosom-Sequenz und der Melanocortin-Rezeptor 1 (MC1R) Gen.

Ergebnisse

Median-verknüpfende Netzwerkanalyse von mtDNA-D-Loop-Sequenzen aus 201 NIP und zuvor charakterisierten Loci-Cluster-NIP mit Populationen aus dem Westen (Europa/Nordafrika) und Ost/Südostasien. Analyse von Teilsequenzen des Y-Chromosoms in 57 nigerianischen Ebern gruppierte NIP in die Linie HY1. Schließlich Analyse von MC1R in 90 NIP führten zu sieben Haplotypen, von denen der europäische Wildschwein-Haplotyp von einem Individuum und der europäisch dominante Schwarze von den meisten anderen Individuen (93 %) getragen wurde. Die fünf verbleibenden einzigartigen Haplotypen unterschieden sich durch eine einzige synonyme Substitution von europäischen Wildtyp-, europäisch dominanten schwarzen und asiatisch dominanten schwarzen Haplotypen.

Schlussfolgerungen

Unsere Ergebnisse zeigen eine europäische und ost-/südostasiatische Abstammung für NIP. Analysen von MC1R weitere Beweise liefern. Zusätzliche genetische Analysen und archäologische Studien können weitere Einblicke in die Geschichte der afrikanischen Schweinerassen geben. Unsere Ergebnisse stellen eine wertvolle Ressource für zukünftige Studien zu Gesamtgenomanalysen von afrikanischen Schweinen dar.


Mitochondriale DNA und die Geheimnisse der menschlichen Evolution

Die frühesten Menschen sind stumme Zeugen: Sie geben nur durch ihre Knochen und Werkzeuge Zeugnis.

Aber moderne Menschen tragen in ihrem Gewebe eine andere Art von Beweisen. DNA dient als lineare Geschichte, als Familienalbum, als Reisepass, der sowohl die Spuren der Herkunft als auch der Reise trägt. Mitochondriale DNA (mtDNA) wird nur von der Mutter vererbt. Alle paar Generationen schleicht sich eine zufällige Mutation in diese familiäre Signatur ein. Der Vergleich zweier mtDNA-Proben zeigt also Verwandtschaftsgrade und Vorfahren. Umgekehrt wird das Y-Chromosom – ein verdrehtes Seil, das vollständig aus DNA besteht – von Männern vom Vater geerbt. Zufällige, seltene Änderungen bieten wiederum eine Möglichkeit, die Anzahl der Generationen zurück zu einem gemeinsamen Vorfahren abzuschätzen. Der DNA-Nachweis zeigt, dass alle Menschen sehr eng verwandt sind. Ein Schotte, ein Japaner und ein australischer Aborigine sind durch das Familienerbe viel enger miteinander verbunden als drei Schimpansen aus verschiedenen afrikanischen Gruppen. DNA-Forschung legt nahe, dass alle überlebenden Menschen von einer Frau abstammen, die vor vielleicht 200.000 Jahren lebte. Die Forschung zeigt auch, dass die Geschichte in Afrika beginnt, der Heimat der größten Unterschiede in der menschlichen DNA und daher dem ältesten Ort. Dementsprechend wurde die Frau prompt "die afrikanische Eva" genannt.

Es überrascht nicht, dass Menschen derselben ethnischen und sprachlichen Gruppe genetisch enger miteinander verwandt sind als mit dem Rest des Planeten, aber die gleiche Forschung zeigt auch eine starke Mischung der Bevölkerungen. Studien über verräterische Marker in der DNA-Sequenz wurden verwendet, um die Reisen alter Menschengruppen rund um den Globus zu rekonstruieren und nicht nur alte Menschen. Auf dem Weg von Ostafrika zur Osterinsel holten frühe menschliche Reisende Mitreisende wie den Magengeschwürkäfer auf Helicobacter pylori. Dieses Bakterium trägt auch eine DNA-Signatur seiner Herkunft.

2009 lieferte sie eine Antwort auf eines der großen Mysterien der Völkerwanderung: Alle Siedler auf den Inseln Polynesien und Melanesien trugen Magen-Darm-Infekte, die ihre Vorfahren nur in Taiwan aufgefangen haben konnten. Das war also der Ausgangspunkt für die Kolonisierung des Pazifiks. Lange vor Landwirtschaft, Metallverarbeitung, Siedlung, Schrift, Nationalität und Geschichte, lange vor formaler territorialer Identität oder ethnischer Tradition hatten alle Menschen ein Sammelalbum, eine Reihe von Passstempeln, die jetzt einige Wendungen auf der großen menschlichen Reise zu offenbaren beginnen . Der Anfang bleibt ein Rätsel. Aber das Blut und Fleisch von Menschen und Schimpansen enthält eine molekulare Geschichte, eine kryptische chemische Zusammenfassung des 6 Millionen Jahre alten Menschenthrillers.

DNA ist eine neue Art zu erzählen: die Geheimnisse ihrer Entschlüsselung, die in weniger als einem Menschenleben offengelegt wurden. Während sie es lesen, beginnen die Charaktere auf der letzten Seite zu erkennen, was in den früheren Kapiteln passiert sein muss. Es kommt noch mehr.


Waren sie echt? Der wissenschaftliche Fall für Adam und Eva

Gab es Adam und Eva wirklich? Entstand die gesamte Menschheit aus einem einzigen Paar? Diese Fragen sind keine Randthemen einer wissenschaftlichen Debatte, sondern zentral für den christlichen Glauben.

Zu diesem Zweck sind die jüngsten Fortschritte in der Molekulargenetik ziemlich provokant. Wie Hugh Ross und ich diskutieren in Wer war Adam?, weisen zahlreiche Studien darauf hin, dass die Menschheit ihren Ursprung hat: (1) vor kurzem (vor ungefähr 100.000 Jahren, plus oder minus 20.000 Jahren oder so) (2) an einem einzigen Ort (Ostafrika) – in der Nähe des Ortes, an dem einige Bibelgelehrte glauben, dass der Garten Eden war befindet und (3) aus einer kleinen Population
von Einzelpersonen.

Darüber hinaus zeigt die Analyse der mitochondrialen DNA (die einen Einblick in den Ursprung der mütterlichen Abstammungslinie bietet) darauf, dass die Menschheit auf eine einzige Ahnensequenz zurückgeht, die als eine einzelne Frau interpretiert werden könnte. Ebenso ist die Charakterisierung der Y-chromosomalen DNA (die einen Einblick in den Ursprung der
väterliche Abstammung) weist darauf hin, dass alle Männer ihren Ursprung auf eine einzige Ahnenfolge zurückführen, die als ein einzelner Mann interpretiert werden könnte.

Diese erstaunlichen Ergebnisse harmonieren mit einer traditionellen Auslegung der biblischen Ursprünge der Menschheit und legen nahe, dass Adam und Eva wahrscheinlich als wirkliche Personen existierten, die die gesamte Menschheit hervorbrachten.

Aber gab es Adam und Eva? Einwohnerzahl

Andere haben diese Interpretation in Frage gestellt und argumentiert, dass die genetischen Daten zeigen, dass die Menschheit aus Tausenden von Individuen entstanden ist, nicht aus zwei. 1 Die Hauptgrundlage für diese Behauptung sind Schätzungen der Bevölkerungsgröße der Vorfahren des Menschen auf der Grundlage der genetischen Vielfalt.

Es ist möglich, die effektive Populationsgröße jeder Vorfahrengruppe aus der genetischen Vielfalt heutiger Populationen abzuschätzen, wenn die Mutationsrate bekannt ist. Wie in besprochen Wer war Adam?, weisen eine Reihe dieser Studien in der Tat darauf hin, dass der Mensch aus einer kleinen Population stammt
Größenordnung von einigen Hundert bis zu einigen Tausend. 2

Skeptiker der traditionellen Lesart der biblischen Darstellung der menschlichen Herkunft akzeptieren diese Ergebnisse unkritisch. Sie argumentieren, dass die Daten darauf hindeuten, dass die Menschheit einen genetischen Engpass erlebt hat, bei dem die Population auf eine relativ kleine Anzahl von Individuen zusammengebrochen ist. Folglich entstand die Menschheit aus Tausenden von Überlebenden, nicht aus einem urzeitlichen Paar.

Kritiker weisen auch auf andere Methoden zur Modellierung der Größe der Vorfahrenpopulation hin, die nicht von Mutationen, sondern von anderen Arten von Prozessen zur Generierung genetischer Vielfalt abhängen. 3 Studien, die diese Techniken anwenden, scheinen auch darauf hinzuweisen, dass die Menschheit aus einer Bevölkerungsgröße in der Größenordnung von wenigen entstanden ist tausend Einzelpersonen.

Wie hoch war die Bevölkerungszahl wirklich?

Angesichts dieser Herausforderung ist es wichtig zu erkennen, dass die durch diese Methoden erzeugten Populationsgrößen lediglich Schätzungen sind, keine festen und schnellen Werte. Der Grund: Die mathematischen Modelle sind stark idealisiert und erzeugen aufgrund verschiedener Faktoren unterschiedliche Schätzungen. Betrachten Sie als Beispiel zwei Studien, die in Wer war Adam? Eine, die 2003 von einem russischen und US-amerikanischen Forschungsteam berichtet wurde, untersuchte DNA-Sequenzelemente, die als kurze Tandem-Wiederholungen bezeichnet werden, an 377 Stellen im menschlichen Genom von 1.056 Individuen, die 52 Bevölkerungsgruppen repräsentierten. Auf der Grundlage dieser Analyse kamen sie zu dem Schluss, dass die Menschheit von einem einzigen Ursprungsort (anscheinend Afrika) stammt, von einer kleinen Bevölkerung (

2.000 oder weniger) zwischen 71.000 und 142.000 Jahren. 4 Obwohl diese Schlussfolgerung mit der einer früheren Studie über kurze Tandem-Wiederholungen übereinstimmte, betrug die Schätzung der Populationsgröße aus der früheren Studie etwa 500 Individuen. 5 Der Grund für den Unterschied (ca. 1.500) war auf eine unterschiedliche Probengröße und Anzahl der untersuchten Orte im menschlichen Genom zurückzuführen.

Entstand die Menschheit aus einem einzigen Paar? Auch wenn Bevölkerungsschätzungen auf der Grundlage mathematischer Modelle zeigen, dass die Menschheit aus mehreren hundert bis mehreren tausend Individuen besteht, könnte es sein, dass diese Modelle die ursprünglichen Zahlen für die ersten Menschen überschätzen.

Und es ist wichtig anzumerken, dass der Ursprung der Menschheit aus einer kleinen Bevölkerung mit der Existenz eines historischen Adam und Evas übereinstimmt, die die gesamte Menschheit hervorgebracht haben. Nach ihrer Erschaffung lehrt der biblische Text, dass sie sich fortpflanzten – und viele Söhne und Töchter hatten (1. Mose 5,4). Könnte es angesichts der Grenzen der Methoden sein, dass die Bevölkerungsschätzungen einige Zeit nach ihrer Entstehung über die Bevölkerungsstruktur des Menschen berichten, als die Bevölkerung klein gewesen wäre, in der Größenordnung von einigen Tausend? Darüber hinaus gehen Skeptiker, die behaupten, dass die Menschheit von Tausenden von Individuen und nicht von zweien stammt, davon aus, dass Adam und Eva genetisch identisch waren. Dennoch gibt es in der Heiligen Schrift keinen Hinweis auf diese Idee. Wenn Eva erschaffen wird, nimmt Gott Material von Adams Seite und baut wieder auf (bānâ im hebräischen Original) es. Ein Teil dieses Prozesses könnte die Einführung genetischer Unterschiede in Evas Genom beinhaltet haben, die Adam und Eva genetisch heterogen machten.

Wie beim Mufflon-Schaf würden die Schätzungen der ursprünglichen Populationsgröße der Menschheit, wenn die natürliche Selektion eine Zunahme der genetischen Vielfalt beim Menschen bewirken würde, künstlich hoch ausfallen.

Wir alle mögen Schafe?

Im Jahr 2007 berichtete ein Forschungsteam über die genetische Vielfalt von wilden Mufflonschafen auf einer der Inseln, die Teil des subantarktischen Kerguelen-Archipels sind. 6 Diese Schafgruppe bot Forschern eine beispiellose Gelegenheit, die Auswirkungen der Populationsdynamik auf die genetische Vielfalt in kleinen Populationen zu untersuchen.

1957 wurden ein männlicher und ein weiblicher Jährling auf Haute Island (eine Insel im Kerguelen-Archipel) platziert. Diese beiden Schafe wurden einer in Gefangenschaft lebenden Population in Frankreich entnommen. Anfang der 1970er Jahre war die Zahl auf 100 angewachsen und erreichte 1977 mit 700 Schafen ihren Höchststand. Seitdem schwankt der Bestand zyklisch zwischen 250 und 700 Mitgliedern. Angesichts der Tatsache, dass die Population mit nur zwei Individuen begann (Gründereffekt), zyklische Veränderungen der Populationsgröße erlebte und auf einer Insel isoliert wurde, erwarteten die Forscher eine sehr geringe genetische Vielfalt (gemessen als Heterozygotie).

Mit mathematischen Modellen kann die Heterozygotie einer Population zu jedem Zeitpunkt aus der Heterozygotie der Ahnenpopulation (die für das ursprüngliche Mufflon-Paar bekannt war) und der ursprünglichen Populationsgröße berechnet werden. Bei der direkten Messung dieser Menge bei den Schafen auf Haute Island fanden die Forscher jedoch heraus, dass sie die Vorhersagen der Modelle um bis zu Faktor 4 übertraf. Mit anderen Worten, die Modelle unterschätzten die genetische Vielfalt der tatsächlichen Population.

Die Forscher erklärten diese Diskrepanz, indem sie spekulierten, dass die natürliche Selektion die Zunahme der genetischen Vielfalt vorantreibt, da eine Zunahme der genetischen Variabilität die Überlebensfähigkeit der Population erhöht.

Folglich, wenn dieselben Modelle verwendet worden wären, um die effektiven Größen der Vorfahrenpopulation aus der gemessenen genetischen Vielfalt zu einem beliebigen Zeitpunkt abzuschätzen, hätten sie die ursprüngliche Populationsgröße auf viel mehr als zwei Individuen überschätzt.

Schließlich beruht der Hauptgrund zu der Annahme, dass die Menschheit aus einem einzigen Paar entstand, nicht auf Bevölkerungsschätzungen, sondern auf der Tatsache, dass die Y-chromosomalen und mitochondrialen DNA-Sequenzen von heute lebenden Menschen auf einzelne Vorfahrensequenzen zurückgehen. Auch diese können so verstanden werden, dass sie eine Herkunft von einem alleinstehenden Mann und einer alleinstehenden Frau widerspiegeln.

Eine glückliche Mutter, ein glücklicher Vater?

Obwohl die genetischen Daten den Ursprung der Menschheit auf eine einzelne Frau und einen einzigen Mann zurückführen, behaupten Evolutionsbiologen schnell, dass die mitochondriale Eva und der Y-chromosomale Adam nicht die ersten Menschen waren. Vielmehr existierten ihnen zufolge viele „Eves“ und „Adams“. 7 Dementsprechend waren mitochondriale Eva und Y-chromosomaler Adam die Glücklichen, deren genetisches Material zufällig überlebte. Die genetischen Linien der anderen ersten Menschen gingen im Laufe der Zeit verloren.

Diese Erklärung liegt zwar nicht außerhalb des Bereichs des Möglichen, ist aber höchst konstruiert. Es würde funktionieren, wenn sich nur wenige der ersten Menschen fortpflanzen oder sich fortpflanzen dürfen. Wenn die Daten einfach für bare Münze genommen werden, ist das biblische Modell die sparsamere Erklärung.

Obwohl Evolutionsbiologen Wege anbieten, die Implikationen der genetischen Daten der menschlichen Population wegzuerklären, sind diese Erklärungen – die im Naturalismus verankert sind – nicht unbedingt einer Interpretation überlegen, die vollständig mit der biblischen Darstellung übereinstimmt. Der wissenschaftliche Beweis für das biblische Adam und Eva steht fest.


Danksagung

Wir danken: G. Hudson und H. Griffin für die Diskussionen und die vorbereitenden Forschungsarbeiten, die dieser Studie vorangingen, P. Surendran und T. Jiang für die Unterstützung bei den Skripten zum Aufruf des Genotyps und W. Astle von der University of Cambridge für die Bereitstellung von Blutzellen Merkmalsphänotypen und zusammenfassende Statistiken. Die BHF Cardiovascular Epidemiology Unit wird vom UK Medical Research Council (MR/L003120/1), der British Heart Foundation (RG/13/13/30194 und RG/18/13/33946) und dem NIHR Cambridge Biomedical Research Centre (BRC .) unterstützt -1215-20014) und Health Data Research UK (finanziert vom UK Medical Research Council, Engineering and Physical Sciences Research Council, Economic and Social Research Council, Department of Health and Social Care (England), Chief Scientist Office of the Scottish Gesundheits- und Sozialdirektionen der Regierung, Forschungs- und Entwicklungsabteilung für Gesundheits- und Sozialfürsorge (Walisische Regierung), Public Health Agency (Nordirland), British Heart Foundation und Wellcome). PC ist ein Wellcome Trust Principal Research Fellow (212219/Z/18/Z) und ein leitender Forscher des britischen NIHR, der von der Abteilung für Mitochondrialbiologie des Medical Research Council (MC_UU_00015/9), dem International Center for Genomic Medicine des Medical Research Council in . unterstützt wird Neuromuskuläre Erkrankungen, Evelyn Trust und NIHR Cambridge BRC (BRC-1215-20014) [*]. J. H. wird von der British Heart Foundation (RG/13/13/30194) und dem NIHR Cambridge BRC (BRC-1215-20014) finanziert [*]. E.Y.-D. wurde vom Isaac Newton Trust/Wellcome Trust ISSF/University of Cambridge Joint Research Grants Scheme finanziert. A.G.-D. wird vom NIHR Cambridge BRC (146281) finanziert. Diese Untersuchung wurde unter Verwendung der UKBB-Ressource unter den Antragsnummern 20480, 7439 und 18794 durchgeführt. [*]Die geäußerten Ansichten sind die der Autoren und nicht unbedingt die des NHS, des NIHR oder des Ministeriums für Gesundheit und Soziales.


Adam und Eva: Ein Urpaar oder eine Population?

Heute dreht sich eines der zentralen wissenschaftlich-glaubensischen Probleme des evangelischen Christentums um die Geschichtlichkeit von Adam und Eva. Gab es Adam und Eva tatsächlich? Oder sind sie nur mythisch, funktionieren als theologische Konstrukte, die jeden Mann und jede Frau repräsentieren sollen? Und wenn sie existierten, waren sie dann das Urpaar, aus dem die ganze Menschheit hervorging? Oder waren sie Vertreter, Teil einer Bevölkerung?

Meine Dienstaktivitäten im Juni haben mich daran erinnert, wie wichtig diese Fragen sind. Ich nahm an der Dabar-Konferenz teil, bei der es um das Thema „Lesen der Genesis im Zeitalter der Wissenschaft“ ging, also gab es natürlich viele Diskussionen über die Identität von Adam und Eva. Ich unterrichtete auch einen einwöchigen Intensivkurs für das Southern Evangelical Seminary über die biblischen und wissenschaftlichen Perspektiven der menschlichen Ursprünge. Im Rahmen des Kurses haben wir die wissenschaftliche Argumentation für die Geschichtlichkeit von Adam und Eva und die Bedeutung dieser Idee für den christlichen Glauben untersucht. Und schließlich, Ende des Monats, habe ich am RZIM-Sommerinstitut gelehrt, wo wir die Beziehung zwischen der biblischen Darstellung der menschlichen Herkunft und den Grundzügen der christlichen Ethik untersucht haben.

Die Existenz und Beziehung von Adam und Eva zur Menschheit sind nicht nur akademische Anliegen. Stattdessen beeinflussen diese Fragen zentrale Lehren des christlichen Glaubens wie: Irrtumslosigkeit, Gottesbild, Sündenfall, Erbsünde, Ehe und Sühne. Aufgrund der Bedeutung eines historischen Adam und Eva für den christlichen Glauben ist es wichtig, die wissenschaftliche Glaubwürdigkeit der biblischen Sichtweise der menschlichen Ursprünge nachweisen zu können.

Ein wissenschaftlicher Fall für einen historischen Adam und Eva

Ein Teil der wissenschaftlichen Unterstützung für die traditionelle biblische Sichtweise stammt aus der Arbeit in der molekularen Anthropologie. Einer der wichtigsten Fortschritte in der Erforschung des menschlichen Ursprungs war die Verwendung von DNA-Sequenzdaten, um Einblicke in den Ursprung und die Frühgeschichte der Menschheit zu gewinnen.

Von besonderem Interesse sind die Ergebnisse mitochondrialer DNA- und Y-chromosomaler Studien, die den Ursprung der Menschheit auf einzelne Ahnensequenzen zurückführen, die als „mitochondriale Eva“ und „Y-chromosomaler Adam“ bezeichnet werden. Diese Ahnensequenzen entsprechen einzelnen weiblichen und männlichen Individuen. Ich interpretiere die mitochondriale Eva und den Y-chromosomalen Adam als Hinweise auf die biblischen Adam und Eva.

Viele Evolutionsbiologen lehnen die Vorstellung ab, dass die mitochondriale Eva und der Y-chromosomale Adam das ursprüngliche biblische Paar waren. Stattdessen argumentieren sie, dass der Mensch als Bevölkerung entstanden ist. Dementsprechend viele „Eves“ und „Adams“. Mit anderen Worten, wir stammen von den beiden ab, die das Glück hatten, dass ihr genetisches Material bis heute Bestand hat. Die genetischen Linien der anderen ersten Menschen gingen im Laufe der Zeit verloren.

Die vielleicht größte Herausforderung für die Ansicht, dass die mitochondriale Eva und der Y-chromosomale Adam die biblischen Adam und Eva sind, sind die Schätzungen der Populationsgröße, die aus den Daten der menschlichen genetischen Diversität ermittelt wurden. Diese Methoden weisen alle darauf hin, dass die anfängliche menschliche Populationsgröße nie weniger als mehrere tausend Individuen betrug. Es basiert weitgehend auf diesen Ergebnissen, dass Evolutionsbiologen argumentieren, dass die mitochondriale Eva und der Y-chromosomale Adam nicht das ursprüngliche Paar waren.

5 Gründe, warum die Menschheit nicht als Bevölkerung begann

Evolutionsbiologen argumentieren für diese Mainstream-Idee (dass es viele erste Menschen gab, nicht nur zwei), aber ich lehne diese Behauptungen aus einer Reihe von Gründen ab. 1

  1. Die Idee, dass die Menschheit als Bevölkerung entstanden ist, ist ein theoriegeladenes Konzept, das eine notwendige Folge des evolutionären Paradigmas ist. Biologen betrachten Evolution als ein Phänomen auf Bevölkerungsebene. Populationen entwickeln sich, Individuen nicht. Infolgedessen kann es kein Urpaar geben – wenn man die menschliche Herkunft aus einem evolutionären Rahmen betrachtet. Anders ausgedrückt, der Mensch muss aus einer Population hervorgegangen sein per Definition.
  2. Die zur Bestimmung der Populationsgrößen verwendeten Methoden beruhen auf vereinfachten und idealisierten mathematischen Modellen, die sehr empfindlich auf Eingabeparameter reagieren. Aus diesem Grund sind die Bevölkerungszahlen bestenfalls als grobe Schätzungen zu betrachten.
  3. Diese Modelle leisten schlechte Arbeit, wenn es darum geht, die Auswirkungen der Bevölkerungsstruktur, der Migration und des Genflusses zu berücksichtigen, die alle zu irreführenden Berechnungen der Bevölkerungsgröße führen können. 2
  4. Methoden zur Populationsgröße wurden nicht validiert. Das heißt, es gibt keine Studien, die zeigen, dass diese Methoden genaue Ergebnisse für Schätzungen der Populationsgröße liefern, wenn sie auf bekannte Situationen angewendet werden. Studien in der Naturschutzbiologie legen nahe, dass diese Modelle die genetische Variabilität nicht genau vorhersagen, wenn die ursprüngliche Populationsgröße bekannt ist. So war beispielsweise in drei separaten Studien mit Mufflonschafen, Przewalski-Pferden und Grauwalen die genetische Vielfalt (gemessen Generationen nach der Anfangspopulation) viel größer als aufgrund der Modelle erwartet.
  5. Andere Studien zur Naturschutzbiologie werfen Fragen zur Gültigkeit der mathematischen Beziehungen auf, die den Methoden zur Populationsgröße zugrunde liegen. Tatsächlich veranlassten diese Bedenken ein Forschungsteam zu der Frage, ob diese Probleme die Schätzungen der Populationsgröße beim Menschen ungültig machen. Diese Forscher stellen fest: „Kürzlich haben Bazin et al. (2006) haben argumentiert, dass die mtDNA-Variation ein schlechter Indikator für die Populationsgröße bei Tieren ist. . . . Dies wirft die Frage auf, ob mtDNA tatsächlich ein zuverlässiger Prädiktor für die Größe der menschlichen Population ist.“ 3

Begann die Menschheit als Paar?

Wegen der zentralen Bedeutung der Historizität von Adam und Eva für den christlichen Glauben widerstrebt es mir, die Idee zu akzeptieren, dass die Menschheit als eine Bevölkerung begann, nicht als Paar. Aber ebenso ungern akzeptiere ich diese wissenschaftliche Behauptung – Mainstream oder nicht – in dem Wissen, dass die Messungen der Populationsgröße auf vereinfachten, idealisierten Methoden basieren, die Schwierigkeiten haben, Populationsdynamiken zu berücksichtigen, die die Schätzungen der Populationsgröße beeinflussen können, und dies nicht der Fall war bestätigt. Fragen nach der Gültigkeit der mathematischen Zusammenhänge, die diesen Methoden zugrunde liegen, verschärfen diese Probleme. Anders ausgedrückt: Selbst wenn ich die Vorstellung einer gemeinsamen Abstammung akzeptieren würde, wäre ich immer noch nicht davon überzeugt, dass der Mensch als Population aufgrund der wissenschaftlichen Fragen rund um die Schätzungen der Populationsgröße entstanden ist.

Meiner Ansicht nach muss die Wissenschaft die Vorstellung, dass die Menschheit von einem Urpaar abstammt, noch falsifizieren.


Materialen und Methoden

FLIEGENSCHNUR UND FLIEGENHALTUNG

Zwanzig D. simulans Isoweibchenlinien wurden aus Fliegen konstruiert, die im November 2004 in Nairobi (Kenia) gesammelt wurden. Alle Fliegen wurden nach Paris und dann nach Iowa City verschifft. In Iowa wurde der mtDNA-Typ jeder Linie mittels allelspezifischer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bestimmt (Dean et al. 2003) und Wolbachia Status/Stamm wurde unter Verwendung von konservierten wsp-Primern bestimmt (James und Ballard 2000). Zehn siII und 10 siIII Fliegen vom mtDNA-Typ wurden gesammelt. Nein siII Zeilen waren Wolbachia infiziert, aber zwei siIII Linien waren wMa infiziert. Für diese Studie wurden vier zufällig ausgewählte und gesunde siII und siIII isoweibliche Linien wurden eingeschlossen. Die Fliegenschnüre sind 2KY15, 2KY17, 2KY18, 2KY21 und 3KY10, 3KY12, 3KY14, 3KY20. Die 2/3 beziehen sich auf den mtDNA-Typ, KY bezeichnet die kenianische Lokalität und die beiden letzten Zahlen bezeichnen die spezifische Liniennummer. Linien 3KY10 und 3KY20 waren Wolbachia infiziert, während alle anderen nicht infiziert waren. Wir gehen davon aus, dass diese zufällig ausgewählten Linien repräsentativ für Fliegen sind, die innerhalb jeder Haplogruppe eine Variation aufweisen, und behandeln sie als unabhängige Proben dieser mtDNA-Typen. Wir interpretieren signifikante mtDNA-Haupteffekte als Unterschiede, die sich aus der mtDNA oder von nuklear-kodierten Proteinen ergeben, die mit einer spezifischen mtDNA-Haplogruppe interagieren ( Ballard 2000a Willett und Burton 2001, 2003 Ballard et al. 2002 Dean und Ballard 2004 ). Wir interpretieren signifikante line[mtDNA]-Effekte bei der verschachtelten Varianzanalyse (ANOVAs) als Ergebnis des Kerngenoms.

Die in den Experimenten verwendeten Fliegen waren Generation 5 und Generation 6 aus dem Feld. Neue Kulturen wurden von Fliegen begonnen, die weniger als 14 Tage alt waren (Hercus und Hoffmann 2000). In Iowa wurden Fliegenschnüre kontinuierlich bei konstanter Dichte, Temperatur (23 °C), Feuchtigkeit (50 % RH), Tageszyklus (12 Licht:12 Dunkel) und Ernährung (Carolina Biological Instant Food, Carolina, Biological, Burlington, NC). Die Eltern der Versuchsfliegen wurden in Populationskäfige entlassen und zwei bis drei Tage akklimatisieren gelassen. In allen Fällen waren diese Erwachsenen weniger als zwei Wochen alt. Eiablageressourcen (Petrischale mit verfestigtem Medium auf Agarbasis, das 4% Agar und 10% Melasse enthielt) wurden für vier Stunden bereitgestellt, um Kohorten von Eiern zu sammeln. Die Eier wurden geerntet, gewaschen und in einem kleinen Volumen 1X Phosphat-gepufferter Lösung (PBS) suspendiert (Clancy und Kennington 2001). Insgesamt wurden 15 µl dieser Suspension mit ca. 200 Eiern zu Instant . gegeben Drosophila Medien. Vier Tage alte Fliegen wurden auf Eis gesext und sofort für Experimente verwendet.

Um festzustellen, ob die Larvenkonkurrenz unsere Ergebnisse verzerren könnte, wurden die Anzahl der schlüpfenden Fliegen und ihr Gewicht mit ANOVA analysiert, bei der mtDNA und Geschlecht als Faktoren betrachtet wurden und die Fliegenlinie innerhalb des mtDNA-Typs verschachtelt wurde. Die Zahl der schlüpfenden Fliegen wurde 14 Tage, nachdem die Eier auf das Instant-Medium gelegt wurden, gezählt. Vier Tage alte Männchen und Weibchen wurden 20 min bei –20°C gehalten und einzeln auf einer Sartorius CP2P Mikrowaage (Sartorius, Göttingen, Deutschland) gewogen. Wir haben die Entwicklungszeit in dieser Studie nicht untersucht. James und Ballard (2003) fanden keine Unterschiede in den Entwicklungszeiten von Fliegen, die sich beherbergen siII und siIII mtDNA.

CYTOCHROM-COXIDASE-SEQUENZIERUNG UND AKTIVITÄT

Wir untersuchten die Sequenzvariation in den drei mtDNA- und neun nuklearkodierten Genen (und ihren Isoformen), die die 12 Untereinheiten des Komplexes IV der Elektronentransportkette produzieren. DNA aus allen Linien wurde unter Verwendung des Puregene DNA Extraction Kit (Gentra, Minneapolis, MN) nach dem Isolationsprotokoll aus fixiertem Gewebe extrahiert. Die drei mitochondrialen Gene wurden in vier überlappenden Fragmenten PCR-amplifiziert (Ballard 2000b). Primer wurden entwickelt, um die vollständige kodierende Sequenz der 13 nuklearen COX-Loci zu amplifizieren und zu sequenzieren, die in der vollständigen Drosophila Genom (Grumbling et al. 2006). Spezifische Genregionen wurden durch PCR unter Verwendung von Bedingungen amplifiziert, die für jedes Primerpaar spezifisch sind (folgen Sie den Links von http://billb.babs.unsw.edu.au/nuclear.htm). Sequenzierungsreaktionen wurden unter Verwendung des folgenden thermischen Profils durchgeführt: 95 °C für 2 Minuten, gefolgt von 35 Zyklen von 95 °C für 10 Sekunden, 50 °C für 5 Sekunden, 72 °C für 120 Sekunden. Beide Stränge wurden unter Verwendung von Big Dye Terminator Cycle-Sequenzierung auf einem ABI3730-Sequenzer (Applied Biosystems, Inc., Foster City, CA) sequenziert. Sequenzen wurden unter Verwendung der Sequencher-Software (Gene Codes, Ann Arbor, MI) bearbeitet und manuell ausgerichtet. Für jedes Gen haben wir die Anzahl der Allele und die Anzahl der synonymen und nicht-synonymen Stellen unter Verwendung von DnaSP 4.0 berechnet (Rozas und Rozas 1997). Die Nukleotiddiversität (π) und der neutrale Parameter (θ) basierten auf der Anzahl der Segregationsstellen. Ks und Ka wurden pro synonymer bzw. nicht-synonymer Site berechnet. Um zu testen, ob die beobachteten Mutationsmuster mit einem neutralen Modell der molekularen Evolution übereinstimmen, verwenden wir Tajimas D ( Tajima 1989 ) und Fu und Li's F* (Fu und Li 1993). Die Annahme dieser Tests, dass die Stichprobe einer einzelnen zufällig gepaarten Population entnommen wird, wird in dieser Studie nicht verletzt.

Es wird angenommen, dass Komplex IV der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der mitochondrialen Elektronentransportkette ist (Villani et al. 1998). Wir haben die Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität von Komplex IV nach den Verfahren von Edmands und Burton (1998, 1999) und Clark und Keith (1989) unter Verwendung von Pferdeherz-Cytochrom c als Substrat gemessen. Sacktonet al. (2003) untersuchten die Wirkung des Speziesursprungs von Cytochrom c auf die Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität und fanden heraus, dass sich Cytochrom c von Pferden und Hühnern ähnlich verhielt. Vier Tage alte Fliegen jeder Linie wurden gesammelt und dann in flüssigem Stickstoff schockgefroren. Gefrorene Fliegen wurden eine Woche bei –80°C gelagert, bevor sie für die Assays vorbereitet wurden. Drei Fliegen wurden gepoolt und 10 Sekunden lang in 100 &mgr;l eiskaltem Homogenisierungspuffer (50 mM Phosphatpuffer mit 0,05% Tween-80) unter Verwendung eines Kontes-Pellet-Pistill-Motors gemahlen. Homogenate wurden dann mit zusätzlichen 500 µl Phosphatpuffer verdünnt. Um Zelltrümmer zu entfernen, wurden die Proben bei 2000 . zentrifugiert g 5 Minuten bei 4°C. Der Proteingehalt des Überstands wurde unter Verwendung eines Bio-Rad-DC-Proteinassay-Kits (Bio-Rad Labs, Hercules, CA) bestimmt. Der Überstand wurde 1:10 verdünnt und 40 &mgr;l wurden in sechs Probenvertiefungen aliquotiert. Zum Zeitpunkt des Assays wurden 160 µl reduziertes Cytochrom c (50 µM) in jede Probenvertiefung gegeben. Die Platte wurde in einem Molecular Devices SpectraMax 384 Plus-Mikroplattenlesegerät (Molecular Devices Corporation, Sunnyvale, CA) getestet, wobei die OD bei 550 nm alle 10 Sekunden für 5 Minuten bei 24°C abgelesen wurde. Die Oxidation von Cytochrom c wurde durch eine Abnahme der Extinktion bei 550 nm (Extinktionskoeffizient = 29,5) angezeigt. Die maximale Steigung des Diagramms der optischen Dichte wird vom Plattenleser berechnet und wird als Vmax für die Reaktion. Die Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität wird als Nanomol oxidiertes Cytochrom-c pro Minute pro mg Protein angegeben. Eine Kontrolle ohne Cytochrom c war ebenfalls enthalten. Die Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität wurde unter Verwendung von ANOVA analysiert, bei der mtDNA und Geschlecht als Faktoren berücksichtigt wurden und die Fliegenschnur in den mtDNA-Typ eingebettet wurde.

EIGRÖSSE UND FRÜHFRUCHTBARKEIT

Die Eigröße wird allgemein als guter Prädiktor für die Eiqualität und die Rate der Larvenentwicklung angesehen (Azevedo et al. 1996). Four-hour-old eggs were harvested from the oviposition resources by washing the plate with 1X PBS ( Clancy and Kennington 2001 ). A total of 15 μL of this suspension containing about 200 eggs was added to one milliliter of 70% ethanol and stored at room temperature. The eggs were then aligned on a square piece of agar and the lengths of eggs were measured under a Leica MZ12.5 microscope with a Wild-Heerbrugg 20× micrometer (Wild-Heerbrugg Ltd, Heerbrugg, Switzerland). The total magnification was 160× and the units on the micrometer were calibrated to a measuring scale. Egg size was analyzed using ANOVA in which mtDNA was considered a factor and fly line was nested within mtDNA type.

All else being equal, fly lines with higher early fecundity are expected to increase in frequency in nature and population cage studies. Eggs were collected from each line and placed at constant density in separate bottles of instant Drosophila media at 23°C, 50%RH, 12 L:12 D. Ten days after egg collection, at the beginning of the light period, any eclosed flies were cleared from the bottles and newly eclosed virgin flies were collected at two-hour intervals for each line. Newly eclosed virgin male and female flies were immediately sorted under light CO2 anesthesia. For each of the lines, 10 to 11 individual virgin females were collected and placed into separate vials of instant Drosophila medium and kept at 23°C. Approximately 20 to 30 virgin male flies, collected at the same time as virgin females, were placed into one vial for each line. After two days, individual vials containing females were checked for larvae to verify that the females were virgins. For every line, each virgin female along with one virgin male fly of the same line was transferred to a new vial containing fresh medium. The pairs were allowed to mate for one day. After mating the pairs were lightly anesthetized with CO2 and the female was transferred to a fresh vial. The vials in which mating took place were discarded. Females were allowed to lay eggs in the new vial for one day and then transferred to fresh vials each of the following two days. Females were cleared from the final vial (three days after mating) and all vials were incubated at 23°C, 50%RH, 12 L:12 D. The number of eclosed flies in each of the vials was counted after 12 days. Early fecundity was calculated as the mean number of flies eclosing in the ten vials for each line on each day after mating. Early fecundity was analyzed using ANOVA in which mtDNA and day were considered factors and fly line was nested within mtDNA type. On some days no flies eclosed from several tubes so the data were ln(x+ 1) transformed prior to analysis. All females produced offspring.

COMA RECOVERY AND STARVATION RESISTANCE

MtDNA genotypes that produce more heat during oxidative phosphorylation may preadapt organisms to surviving longer in colder climates ( Ruiz-Pesini et al. 2004 ). In Drosophila, changes in phospholipid composition, triacylglycerol accumulation, and proline accumulation may also play a role in resistance to cold temperatures ( Chen and Walker 1994 Misener et al. 2001 ). To examine coma recovery a bottle of four-day-old flies (about 170 individuals) was placed at 0°C for 16 h in a complete block design. Flies were sexed on ice and tipped onto white paper at 23°C. Fly recovery was determined for two hours (preliminary studies showed few flies recovered after two hours) by four investigators. To avoid awakening flies from overwhelming each investigator, each block of four lines (two of each haplogroup) was separated by half an hour. The experiment was replicated the following day. Immediately as a fly stood on six legs it was collected by aspiration and placed in a labeled two-pint plastic demography cage modified from those of Promislow and Haselkorn (2002) to have two food sources not one. Each cage was then placed at 23°C, 50%RH, 12 L:12 D for 48 h. We tested whether there was a significant bias in numbers recovering in each haplogroup, the time to recovery, and the proportion of flies that survived for 48 h. Coma recovery was analyzed using ANOVA in which mtDNA and sex were considered factors and fly line was nested within mtDNA type. Proportional data were square root arcsin transformed prior to analyses.

The evolution of resistance to starvation stress has received considerable attention in the last few years because of the apparent association between this trait and both cold resistance and longevity. Replicates in successive generations were included to determine starvation resistance of four-day-old nonvirgin flies. Males and females from one bottle (about 170 flies) were sorted on ice and each sex placed in a demography cage ( Promislow and Haselkorn 2002 ) with cotton wool soaked in water replacing the two food sources. Dead flies were counted and removed every four hours. The starvation resistance data were analyzed by examining 90% and 50% survival.


Mitochondria Inherited from Mother Can Influence Offspring’s Risk of Common Diseases

The results of a study by researchers at the University of Cambridge suggest that mitochondria—the “batteries” that power our cells—may play an unexpected role in common diseases such as type 2 diabetes (T2D) and multiple sclerosis. The study, involving data from more than 350,000 participants in the UK Biobank (UKBB), found that genetic variants in mitochondrial DNA passed to offspring could increase the risk of developing different conditions, as well as influence characteristics such as height and lifespan. There was also evidence that some changes in mitochondrial DNA were more common in people with Scottish, Welsh or Northumbrian genetic ancestry, implying that mitochondrial DNA and nuclear DNA (which accounts for 99.9% of our genetic make-up) interact with each other.

Research co-lead Joanna Howson, PhD, who carried out the work while at the Department of Public Health and Primary Care at the University of Cambridge, said, “Aside from mitochondrial diseases, we don’t generally associate mitochondrial DNA variants with common diseases. But what we’ve shown is that mitochondrial DNA— which we inherit from our mother—influences the risk of some diseases such as type 2 diabetes and MS as well as a number of common characteristics.” Research co-lead Patrick Chinnery, PhD, from the MRC Mitochondrial Biology Unit at Cambridge, added, “If you want a complete picture of common diseases, then clearly you’re going to need to factor in the influence of mitochondrial DNA. The ultimate aim of studies of our DNA is to understand the mechanisms that underlie these diseases and find new ways to treat them. Our work could help identify potential new drug targets.”

The scientists say the findings could ultimately help to identify new drug targets, but they could also have implications for the success of a new technique known as mitochondrial transfer therapy that is being developed to prevent offspring developing mitochondrial diseases. Howson and colleagues report their findings in a paper titled in Naturgenetik, which is titled “An atlas of mitochondrial DNA genotype-phenotype associations in the UK Biobank.”

Almost all the DNA that makes up the human genome is contained within the nuclei of our cells. Nuclear DNA codes for the characteristics that make us individual as well as for the proteins that do most of the work in our bodies.

Our cells’ mitochondria provide the energy to power cellular processes. They do this by converting the food we consume into ATP, a molecule that can release energy very quickly. Mitochondria also contain a tiny amount of DNA—mitochondrial DNA, mtDNA —which makes up only 0.1% of the overall human genome, but is passed down exclusively from mother to offspring. The authors explained, “The 16,569-bp human mitochondrial genome has a compact genomic organization, with

95% of the sequence encoding 13 proteins, 22 transfer RNAs and 2 ribosomal RNAs that are essential for oxidative phosphorylation (OXPHOS) and production of cellular energy in the form of ATP.”

While errors in mitochondrial DNA can lead to mitochondrial diseases, which can be severely disabling, until now there had been little evidence that variants in mitochondrial DNA can influence more common diseases. Several small-scale studies have hinted at this possibility, but scientists have been unable to replicate their findings. “Mitochondrial DNA (mtDNA) variation in common diseases has been underexplored,” the University of Cambridge team noted. “Initial mtDNA association studies in complex traits were underpowered and yielded conflicting findings that were rarely replicated.”

For their newly reported research, the team developed a technique to study mitochondrial DNA and its relation to human diseases and characteristics in samples taken from 358,000 volunteers as part of U.K. Biobank, a large-scale biomedical database and research resource.

The results suggested that in fact mitochondrial DNA might influence diseases such as type 2 diabetes, multiple sclerosis, and factors such as liver and kidney function, blood count parameters, lifespan and height. “When applied to the UKBB, the workflow has provided a comprehensive reference dataset of mtDNA variant–trait associations to date, highlighting 260 new mtDNA–phenotype associations,” the authors wrote. Interestingly, they pointed out, “Mitochondrial dysfunction has been observed in several of the diseases that were associated with mtSNVs [mitochondrial single nucleotide variants] in our analyses, such as multiple sclerosis, T2D and abdominal aortic aneurysms.”

Some of the effects were seen more extremely in patients with rare inherited mitochondrial diseases—for example, patients with severe disease are often shorter than average—whereas the effects in healthy individuals tended to be much subtler, likely accounting for just a few millimeters’ height difference, for example.

There are several possible explanations for how mitochondrial DNA exerts its influence, the team suggested. One is that changes to mitochondrial DNA lead to subtle differences in our ability to produce energy. However, it is likely to be more complicated, affecting complex biological pathways inside our bodies—the signals that allow our cells to operate in a coordinated fashion.

Unlike nuclear DNA, which is passed down from both the mother and the father, mitochondrial DNA is inherited exclusively from the mother. This would indicate that the two systems are inherited independently, so that there should be no association between an individual’s nuclear DNA and mitochondrial DNA. However, this was not what the team’s results indicated. The study found that certain nuclear genetic backgrounds are associated preferentially with certain mitochondrial genetic backgrounds, particularly in Scotland, Wales and Northumbria. This suggested that our nuclear and mitochondrial genomes have evolved—and continue to evolve—side-by-side and interact with each other.

Ein Grund, der dies erklären könnte, ist die Notwendigkeit der Kompatibilität. ATP is produced by a group of proteins inside the mitochondria called the respiratory chain. There are over 100 components of the respiratory chain, 13 of which are coded for by mitochondrial DNA, the remainder being encoded by nuclear DNA. Obwohl Proteine ​​in der Atmungskette von zwei verschiedenen Genomen produziert werden, müssen die Proteine ​​​​physisch wie Puzzleteile ineinandergreifen.

Wenn die von einem Kind vererbte mitochondriale DNA nicht mit der vom Vater vererbten nuklearen DNA kompatibel wäre, würde das Puzzle nicht richtig zusammenpassen und die Atmungskette und damit die Energieproduktion beeinträchtigen. This might subtly influence an individual’s health or physiology, which over time could be disadvantageous from an evolutionary perspective. Umgekehrt würden Matches durch die Evolution gefördert und daher häufiger.

This could have implications for the success of mitochondrial transfer therapy, a new technique that enables scientists to replace a mother’s defective mitochondria with those from a donor, to prevent her child from having a potentially life-threatening mitochondrial disease.

“It looks like our mitochondrial DNA is matched to our nuclear DNA to some extent – in other words, you can’t just swap the mitochondria with any donor, just as you can’t take a blood transfusion from anyone,” Chinnery said. “Fortunately, this possibility has already been factored into the approach taken by the team at Newcastle who have pioneered this therapy.”

The authors concluded, “Our current findings establish the key role played by mtDNA variants in many quantitative human traits, and confirm their contribution to common disease risk … understanding mitochondrial genetic architecture and the interaction between the nuclear and mitochondrial genomes will be important for reducing the burden of cardiometabolic and neurodegenerative diseases, among others … The atlas of UKBB mtSNV–trait associations provided here lays a firm foundation for future studies at the whole-mitochondrial genome level.”


Mitochondrial Genetic Variants Inherited from Mother Can Influence Offspring’s Risk of Common Diseases

[Source: iLexx/Getty Images]

Researchers at the University of Cambridge suggest that mitochondria—the “batteries” that power our cells—may play an unexpected role in common diseases such as type 2 diabetes (T2D) and multiple sclerosis.

The study, used the data of more than 350,000 participants from the UK Biobank to find that genetic variants in mitochondrial DNA passed to offspring could increase the risk of developing different conditions, as well as influence characteristics such as height and lifespan. The research also provided evidence that some changes in mitochondrial DNA were more common in people with Scottish, Welsh, or Northumbrian genetic ancestry, implying that mitochondrial DNA and nuclear DNA (which accounts for 99.9% of our genetic make-up) interact with each other.

Research co-lead Joanna Howson, Ph.D., who carried out the work while at the Department of Public Health and Primary Care at the University of Cambridge, said, “Aside from mitochondrial diseases, we don’t generally associate mitochondrial DNA variants with common diseases. But what we’ve shown is that mitochondrial DNA— which we inherit from our mother—influences the risk of some diseases such as type 2 diabetes and MS as well as a number of common characteristics.” Research co-lead Patrick Chinnery, PhD, from the MRC Mitochondrial Biology Unit at Cambridge, added, “If you want a complete picture of common diseases, then clearly you’re going to need to factor in the influence of mitochondrial DNA. The ultimate aim of studies of our DNA is to understand the mechanisms that underlie these diseases and find new ways to treat them. Our work could help identify potential new drug targets.”

The scientists say the findings could ultimately help to identify new drug targets, but they could also have implications for the success of a new technique known as mitochondrial transfer therapy that is being developed to prevent offspring developing mitochondrial diseases. Howson and colleagues report their findings in a paper titled in Naturgenetik, which is titled “An atlas of mitochondrial DNA genotype-phenotype associations in the UK Biobank.”

Almost all the DNA that makes up the human genome is contained within the nuclei of our cells. Nuclear DNA codes for the characteristics that make us individual as well as for the proteins that do most of the work in our bodies.

Our cells’ mitochondria provide the energy to power cellular processes. They do this by converting the food we consume into ATP, a molecule that can release energy very quickly. Mitochondria also contain a tiny amount of DNA—mitochondrial DNA, mtDNA —which makes up only 0.1% of the overall human genome, but is passed down exclusively from mother to offspring. The authors explained, “The 16,569-bp human mitochondrial genome has a compact genomic organization, with

95% of the sequence encoding 13 proteins, 22 transfer RNAs and 2 ribosomal RNAs that are essential for oxidative phosphorylation (OXPHOS) and production of cellular energy in the form of ATP.”

While errors in mitochondrial DNA can lead to mitochondrial diseases, which can be severely disabling, until now there had been little evidence that variants in mitochondrial DNA can influence more common diseases. Several small-scale studies have hinted at this possibility, but scientists have been unable to replicate their findings. “Mitochondrial DNA (mtDNA) variation in common diseases has been underexplored,” the University of Cambridge team noted. “Initial mtDNA association studies in complex traits were underpowered and yielded conflicting findings that were rarely replicated.”

For their newly reported research, the team developed a technique to study mitochondrial DNA and its relation to human diseases and characteristics in samples taken from 358,000 volunteers as part of U.K. Biobank, a large-scale biomedical database and research resource.

The results suggested that in fact mitochondrial DNA might influence diseases such as type 2 diabetes, multiple sclerosis, and factors such as liver and kidney function, blood count parameters, lifespan and height. “When applied to the UKBB, the workflow has provided a comprehensive reference dataset of mtDNA variant–trait associations to date, highlighting 260 new mtDNA–phenotype associations,” the authors wrote. Interestingly, they pointed out, “Mitochondrial dysfunction has been observed in several of the diseases that were associated with mtSNVs [mitochondrial single nucleotide variants] in our analyses, such as multiple sclerosis, T2D and abdominal aortic aneurysms.”

Some of the effects were seen more extremely in patients with rare inherited mitochondrial diseases—for example, patients with severe disease are often shorter than average—whereas the effects in healthy individuals tended to be much subtler, likely accounting for just a few millimeters’ height difference, for example.

There are several possible explanations for how mitochondrial DNA exerts its influence, the team suggested. One is that changes to mitochondrial DNA lead to subtle differences in our ability to produce energy. However, it is likely to be more complicated, affecting complex biological pathways inside our bodies—the signals that allow our cells to operate in a coordinated fashion.

Unlike nuclear DNA, which is passed down from both the mother and the father, mitochondrial DNA is inherited exclusively from the mother. This would indicate that the two systems are inherited independently, so that there should be no association between an individual’s nuclear DNA and mitochondrial DNA. However, this was not what the team’s results indicated. The study found that certain nuclear genetic backgrounds are associated preferentially with certain mitochondrial genetic backgrounds, particularly in Scotland, Wales and Northumbria. This suggested that our nuclear and mitochondrial genomes have evolved—and continue to evolve—side-by-side and interact with each other.

Ein Grund, der dies erklären könnte, ist die Notwendigkeit der Kompatibilität. ATP is produced by a group of proteins inside the mitochondria called the respiratory chain. There are over 100 components of the respiratory chain, 13 of which are coded for by mitochondrial DNA, the remainder being encoded by nuclear DNA. Obwohl Proteine ​​in der Atmungskette von zwei verschiedenen Genomen produziert werden, müssen die Proteine ​​​​physisch wie Puzzleteile ineinandergreifen.

Wenn die von einem Kind vererbte mitochondriale DNA nicht mit der vom Vater vererbten nuklearen DNA kompatibel wäre, würde das Puzzle nicht richtig zusammenpassen und die Atmungskette und damit die Energieproduktion beeinträchtigen. Dies kann die Gesundheit oder Physiologie eines Individuums subtil beeinflussen, was im Laufe der Zeit aus evolutionärer Sicht nachteilig sein könnte. Umgekehrt würden Matches durch die Evolution gefördert und daher häufiger.

This could have implications for the success of mitochondrial transfer therapy, a new technique that enables scientists to replace a mother’s defective mitochondria with those from a donor, to prevent her child from having a potentially life-threatening mitochondrial disease.

“It looks like our mitochondrial DNA is matched to our nuclear DNA to some extent – in other words, you can’t just swap the mitochondria with any donor, just as you can’t take a blood transfusion from anyone,” Chinnery said. „Glücklicherweise wurde diese Möglichkeit bereits in den Ansatz des Teams in Newcastle, das diese Therapie eingeführt hat, berücksichtigt.“

The authors concluded, “Our current findings establish the key role played by mtDNA variants in many quantitative human traits, and confirm their contribution to common disease risk … understanding mitochondrial genetic architecture and the interaction between the nuclear and mitochondrial genomes will be important for reducing the burden of cardiometabolic and neurodegenerative diseases, among others … The atlas of UKBB mtSNV–trait associations provided here lays a firm foundation for future studies at the whole-mitochondrial genome level.”


Difference Between Mitochondrial DNA and Nuclear DNA

Inhalt

Mitochondriale DNA: mtDNA consists of the mitochondrial genome.

Nuclear DNA: nDNA consists of the cell’s genome, including the mitochondrial DNA.

DNA-Struktur

Mitochondriale DNA: mtDNA is double-stranded and circular.

Nuclear DNA: nDNA is double-stranded and linear.

Number of Chromosomes

Mitochondriale DNA: mtDNA is arranged into a single chromosome.

Nuclear DNA: nDNA is arranged into several chromosomes. For example, human nDNA is arranged into 46 chromosomes.

Komposition

Mitochondriale DNA: mtDNA is composed of 0.25% of the cell’s genetic makeup in animal cells.

Nuclear DNA: nDNA is composed of 99.75% of the cell’s genetic makeup in animal cells.

Gehege

Mitochondriale DNA: mtDNA is not enclosed by the nuclear envelope.

Nuclear DNA: nDNA is enclosed by the nucleus.

Standort

Mitochondriale DNA: mtDNA is freely floating in the mitochondrial matrix.

Nuclear DNA: nDNA is found in the nuclear matrix, fixed to the nuclear envelope.

Genome Size

Mitochondriale DNA: The size of the mtDNA is 16,569 base pairs.

Nuclear DNA: The size of the nDNA is 3.3 billion base pairs.

Histone Proteins

Mitochondriale DNA: mtDNA is not packed with histone proteins.

Nuclear DNA: nDNA is tightly packed with histone proteins.

Number of Copies

Mitochondriale DNA: More than 1,000 copies of mtDNA can be found per cell.

Nuclear DNA: The number of copies of nDNA per somatic cell may differ depending on the species. Human somatic cells contain two copies of nDNA.

Number of Genes

Mitochondriale DNA: mtDNA consists of 37 genes, encoding 13 proteins, 22 tRNAs, and 2 rRNAs.

Nuclear DNA: nDNA consists of 20,000-25,000 genes, including three mt genes.

The tRNAs and rRNAs

Mitochondriale DNA: mtDNA encodes each and every tRNA and rRNA required by mitochondria.

Nuclear DNA: nDNA encodes each and every tRNA and rRNA required by the processes in the cytoplasm.

Autonomy

Mitochondriale DNA: mtDNA encodes for most of the proteins, which are required by mitochondria. But, some proteins required by mitochondria are encoded by nDNA. Therefore, mitochondria are semi-autonomous organelles.

Nuclear DNA: nDNA encodes for every protein, which is required by the cell.

Non-coding Regions

Mitochondriale DNA: mtDNA lacks non-coding DNA regions like introns.

Nuclear DNA: nDNA contains non-coding regions of DNA like introns and untranslated regions.

Genetischer Code

Mitochondriale DNA: Most codons in mtDNA do not follow the universal genetic code.

Nuclear DNA: Codons in the nDNA follow the universal genetic code.

Reproduzieren

Mitochondriale DNA: mtDNA is replicated independently from nDNA.

Nuclear DNA: nDNA is replicated only during the S-phase of the cell cycle.

Transkription

Mitochondriale DNA: Genes encoded by the mtDNA are polycistronic.

Nuclear DNA: Genes encoded by the nDNA are monocistronic.

Nachlass

Mitochondriale DNA: mtDNA is maternally inherited.

Nuclear DNA: nDNA is inherited equally from both parents.

Rekombination

Mitochondriale DNA: mtDNA is inherited from mother to her offspring without changing.

Nuclear DNA: nDNA is arranged through recombination while transferring to the offspring.

Contribution to the Individual’s Fitness

Mitochondriale DNA: mtDNA has a less contribution to the individual’s fitness among the population.

Nuclear DNA: nDNA has a high contribution to the individual’s fitness among the population.

Rate of Mutations

Mitochondriale DNA: The rate of mutations in mtDNA is comparatively high.

Nuclear DNA: The rate of mutations in nDNA is low.

Identification of Individuals

Mitochondriale DNA: The mtDNA can also be used in the identification of individuals.

Nuclear DNA: The nDNA is used to in paternity testing.

Genetische Störungen

Mitochondriale DNA: Leber’s hereditary optic neuropathy, Kearns-Sayre syndrome and chronic progressive external ophthalmoplegia are the examples of the genetic diseases caused by the mutations of mtDNA.

Nuclear DNA: Cystic fibrosis, sickle cell anemia, hemochromatosis and Huntington’s disease are the examples of genetic diseases caused by the mutations in nDNA.

Abschluss

Nuclear DNA, along with the mitochondrial DNA contribute to the genetic makeup of animal cells. Plant cells contain chloroplast DNA as well in their cells. The nDNA consists of the cell’s genome and mtDNA consists of mitochondrial genome. The nDNA contains genes, which encodes for all the traits exhibited by the organism. The mtDNA is also included in the nDNA. The nDNA consists of more than 20,000 genes. The proteins encoded by these genes are responsible for the phenotypic traits of the organism. The mtDNA is encoded for 37 genes along with the tRNAs and rRNAs required by the functions of mitochondria. Hence, the main difference between mitochondrial DNA and nuclear DNA is their contents.


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