Gilt die von der „Mutter“ geerbte Stressresistenz als Betrug?

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Vielleicht haben Sie so etwas schon einmal gehört:

„Du bist so schlau, deine Mutter muss auch sehr schlau sein, oder?“

„Deine Mutter und Großmutter haben so lange gelebt, du wirst sicherlich auch lange leben.“

In all diesen Aussagen geht es um den Einfluss der Mutter auf ihren Nachwuchs. Und tatsächlich gibt es Studien, die belegen, dass Intelligenz und Lebenserwartung des Nachwuchses eng mit der Mutter zusammenhängen.

Bildquelle: Veer Gallery

Im heutigen Artikel geht es jedoch nicht darum, sondern um ein anderes genetisches Phänomen, das mit der Mutter zusammenhängt – die mütterliche Vererbung des Stressgedächtnisses.

Kann das Stressgedächtnis bei Fadenwürmern über Generationen hinweg vererbt werden?

Wenn Organismen Umweltstress ausgesetzt sind, entwickeln sie adaptive Stressreaktionen, um dem Umweltstress zu widerstehen. Kann diese Stressreaktion an die Nachkommen weitergegeben werden?

Anfang dieses Monats gaben die neuesten Forschungsergebnisse des Teams von Tian Ye vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine positive Antwort auf diese Frage. Sie veröffentlichten einen Artikel mit dem Titel „Neuronaler mitochondrialer Stress induziert transgenerationale Vererbung des Stressgedächtnisses durch Erhöhung der Kopienzahl mitochondrialer DNA bei Nachkommen“ online in der Zeitschrift Nature Cell Biology als Titelartikel und berichteten über das Phänomen der transgenerationalen Vererbung des Stressgedächtnisses bei Fadenwürmern.

Was ist das für ein Fadenwurm? Freunde, die sich mit Biologie auskennen, wissen vielleicht, dass Fadenwürmer ein klassischer Modellorganismus sind. Ihr Körper ist durchsichtig und der Körper eines erwachsenen Tieres ist nur 1 mm lang. Ihre winzigen Körper enthalten jedoch vollständig differenziertes Gewebe und sogar ein Nervensystem wie ein „Gehirn“.

Fadenwurm (Bildquelle: keys.lucidcentral.org)

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts haben sechs Wissenschaftler den Nobelpreis für ihre Leistungen mit Fadenwürmern als Versuchsobjekten erhalten und damit Fadenwürmer zu Superstars in der Biowissenschaftsforschung gemacht.

Können Sie sich vorstellen, dass ein ein Millimeter großer Fadenwurm ein Stressgedächtnis über Generationen hinweg vererben kann? Forscher haben das pathogene Gen der Huntington-Krankheit in den Neuronen von Fadenwürmern exprimiert, wodurch es zu mitochondrialen Schäden in den Neuronen kam und in den Darmzellen der Fadenwürmer über alle Gewebe und Zellen hinweg die mitochondriale Unfolded Protein Response (UPRmt) ausgelöst wurde – eine schützende Stressreaktion des Fadenwurmkörpers. Diese gewebeübergreifende Kommunikation des mitochondrialen Stresses kann Fadenwürmern helfen, mit lokalisierten mitochondrialen Schäden besser fertig zu werden.

Als sich diese Fadenwürmer mit Wildtyp-Fadenwürmern paarten, zeigten 30 % der Wildtyp-Nachkommen, die keine pathogenen Proteine ​​trugen, eine Induktion von UPRmt-Signalen, was bedeutet, dass sie eine Stressreaktion zeigten. Darüber hinaus gaben 80 % der Nachkommen der ersten Generation, die Stressreaktionen zeigten, das UPRmt-Signal an die zweite Generation weiter.

Unglaublicherweise konnten die Forscher dieses Stresssignal auch noch in der 50. Generation der Fadenwürmer beobachten. Dies deutet darauf hin, dass das Stressgedächtnis der Mutter an die Nachkommen vererbt werden kann, sogar über mehr als 50 Generationen hinweg.

Das Stressgedächtnis von Fadenwürmern kann über mehr als 50 Generationen vererbt werden (Bildquelle: Referenz 1)

Der genetische Code des Stressgedächtnisses

Wie also wird dieses Stressgedächtnis über Generationen hinweg vererbt? Die Antwort liegt in der Anzahl der Kopien der mitochondrialen DNA (mtDNA).

Normalerweise gibt es in einer Zelle mehrere Kopien mitochondrialer DNA. Die Vielfachkopiennatur der mitochondrialen DNA gilt als Selbstschutzmechanismus, da für die meisten mitochondrialen Erkrankungen ein bestimmter Anteil an Genmutationen erforderlich ist.

Beispielsweise erfordern die häufigeren mitochondrialen Erkrankungen unter den mütterlichen genetischen Erkrankungen wie Lebersche hereditäre Optikusneuropathie (LHON), nicht-syndromale Taubheit usw. eine Genmutationsrate von über 99,5 %.

Wenn die Mitochondrien in den Nematodenneuronen beschädigt sind, kommunizieren die Neuronen über den Wnt-Signalweg mit den Gonaden, wodurch die Anzahl der mitochondrialen DNA-Kopien in den Nachkommen steigt. Zu viele Kopien führen jedoch zu einem Ungleichgewicht der Proteinhomöostase in den Mitochondrien und veranlassen den Körper dadurch zur Aktivierung von UPRmt. Dies ist das Prinzip der Übertragung von Stressgedächtnissen durch Mitochondrien.

Tatsächlich hat UPRmt, das durch die Erhöhung der mitochondrialen DNA-Kopienzahl bei den Nachkommen induziert wird, mehrere Auswirkungen auf den Körper. Im Vergleich zu ihren Wildtyp-Gegenstücken hatten diese Nematoden, die den mütterlichen Stressmechanismus geerbt hatten, eine deutlich erhöhte Lebensdauer und zeigten Resistenz gegen Hitzestress und Paraquat.

Allerdings ist es nicht möglich, beides gleichzeitig zu haben. Diese Individuen mit größerer Widerstandsfähigkeit und längerer Lebenserwartung weisen eine verlangsamte Entwicklung und eine geringere Fruchtbarkeit auf.

Da mitochondriale DNA nur von der Mutter gewonnen werden kann, wird dieses Stressgedächtnis über die mütterliche Linie vererbt. Auch wenn die Nachkommen keine Stressschäden erleiden, können sie dennoch das Stressgedächtnis der „Mutter“ erben, auf den „Schultern der Mutter“ stehen und stärker werden.

Was ist mütterliche Vererbung? Worin besteht der Unterschied zur väterlichen Vererbung?

Was genau ist mütterliche Vererbung?

Bevor wir diese Frage beantworten, wollen wir zunächst die väterliche Vererbung verstehen. Wir wissen, dass genetisches Material hauptsächlich in Chromosomen besteht. Von den 46 Chromosomen im Körper eines durchschnittlichen Menschen stammt die Hälfte von der Mutter und die andere Hälfte vom Vater.

Männer erhalten von ihrem Vater 22 Autosomen und ein Geschlechtschromosom, Y. Einige spezifische Genfragmente kommen nur auf dem Y-Chromosom vor und können nur von Jungen vererbt werden.

Dieses Phänomen der Weitergabe vom Vater an den Sohn und der Vererbung zusammen mit dem Y-Chromosom wird als väterliche Vererbung bezeichnet. Beispielsweise sind Hypertrichose des äußeren Gehörgangs beim Menschen und Schwimmhäutekrankheit zwei häufige väterlich vererbte Symptome.

Bezieht sich die mütterliche Vererbung also auf einige Gene, die über das X-Chromosom der Mutter an die Töchter weitergegeben werden können?

Dies ist zu simpel, da die mütterliche Vererbung nichts mit dem X-Chromosom zu tun hat.

Ja, das ist egal! In der Genetik bezieht sich die mütterliche Vererbung speziell auf die oben erwähnte mitochondriale DNA-Vererbung.

Neben der chromosomalen DNA ist menschliches Erbgut auch in der mitochondrialen DNA vorhanden (diese macht etwa 1 bis 2 % der gesamten DNA aus).

Mitochondrien und mitochondriale DNA (Bildquelle: Veer Gallery)

Sie sind möglicherweise verwirrt. Der Vater hat auch Mitochondrien. Warum muss die mitochondriale Vererbung also mütterlicherseits erfolgen?

Dies liegt daran, dass die Mitochondrien im Sperma des Vaters sehr wenige sind und streng überwacht werden. Nach der Befruchtung werden sie schnell abgebaut.

Daher trägt ein Individuum, das sich aus einer befruchteten Eizelle entwickelt, nur Mitochondrien der Mutter in sich und diese Mitochondrien werden nur über Töchter an die Nachkommen weitergegeben. Dies ist eine mütterliche Vererbung. Ist das nicht unglaublich?

Die umstrittene „Mitochondriale Eva“

Mitochondriale DNA kann nur über die mütterliche Linie vererbt werden. Wo liegt also ihr Ursprung?

In den 1980er Jahren entdeckte Wilsons Genetikgruppe an der University of California in Berkeley, dass die mitochondriale DNA des modernen Menschen in zwei Hauptkategorien unterteilt werden kann. Der erste Typ kommt nur bei einigen Afrikanern vor, während der andere Typ bei allen Rassen, einschließlich Afrikanern, verbreitet ist und seine eigentliche Quelle ebenfalls Afrikaner sind.

Nach weiteren Untersuchungen ist Wilsons Forschungsteam davon überzeugt, dass es in der Urzeit einen gemeinsamen Vorfahren aller Menschen gab und dass die mitochondriale DNA aller modernen Menschen von dieser Frau, der berühmten „Mitochondrialen Eva“, stammt. Als die „Eva“-Theorie aufgestellt wurde, erregte sie die Aufmerksamkeit vieler Menschen und löste auch große Kontroversen aus.

Natürlich muss man beachten, dass die Entstehung der Mitochondrien zwar mit der Entstehung des Menschen zusammenhängt, aber keineswegs gleichgesetzt werden kann.

Modell „Mitochondriale Eva“: Die mitochondriale DNA des modernen Menschen lässt sich auf eine einzige Frau zurückführen

(Bildquelle: Referenz 4)

„Überleben des Stärkeren“, nur mit stärkerer Anpassungsfähigkeit kann man in raueren Umgebungen überleben.

Nematoden haben Glück; Sie müssen den „Schmerz“ ihrer Mutterschaft nicht noch einmal durchleben, um ihre Anpassungsfähigkeit zu erlangen. Die mütterlichen „Vorfahren“ der Fadenwürmer sorgen sich in großer Sorge um ihre „Nachkommen und Enkel“. Mitochondriale DNA ist sehr stabil und es ist klug von der Mutter, sie als Träger des Stressgedächtnisses auszuwählen.

Durch die generationsübergreifende Vererbung der Fadenwürmer sehen wir die Vererbung des Lebens und die große Weisheit der Mütter.

Verweise

1. Zhang, Q., Wang, Z., Zhang, W. et al. Die Erinnerung an neuronalen mitochondrialen Stress wird über erhöhte mitochondriale DNA-Werte transgenerational vererbt. Nat Cell Biol (2021). https://doi.org/10.1038/s41556-021-00724-8

2. Cann RL, Stoneking M, Wilson AC (1987), "Mitochondriale DNA und menschliche Evolution", Nature, 325 (6099): 31-36

3. Lewin R (1987). „Die Entlarvung der mitochondrialen Eva“. Wissenschaft. 238 (4823): 24–26. Bibcode:1987Sci...238...24L. doi:10.1126/science.3116666. PMID 3116666.

4.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MtDNA-MRCA-generations-Evolution.svg