U roku od nekoliko minuta od oplodnje, jaje voćne mušice postaje scena iz bitke polova. Jajna ćelija napada i uništava ćelijske „elektrane“ (mitohondrije) iz sperme koja ju je oplođivala, tako da ostaju samo njene sopstvene mitohondrije. Ovi nalazi iz nove studije Vajcmanovog instituta za nauku, objavljene u Nature Communications, mogli bi pružiti uvid u napredne tretmane oplodnje i rasvetliti dugogodišnju misteriju: Kako i zašto nasleđujemo sve naše mitohondrije od naših majki?
Očeve mitohondrije nestaju ubrzo nakon oplodnje kod gotovo svih vrsta, od biljaka koje se seksualno razmnožavaju preko gljiva i insekata do sisara, uključujući ljude. Jedna teorija za ovo smatra da su očinske mitohondrije jednostavno razblažene znatno brojnijim majčinim mitohondrijama, ali druga sugeriše da ih jaje aktivno eliminiše.
Pre otprilike deceniju, laboratorija prof. Eli Arame u Vajcmanovom odeljenju za molekularnu genetiku pružila je ključne dokaze u korist teorije aktivne eliminacije. Nova studija, koju vodi dr. studentica Šeron Ben-Hur, otkriva molekularne detalje ove eliminacije, pokazujući da jajna ćelija pokreće nameran, ciljani napad na mitohondrije sperme.
„Moguće je da očinske mitohondrije nose štetne komponente, ali mogu čak sadržati i određene darove od oca“, kaže Arama. „U svakom slučaju, njihovo razbijanje može ključno uticati na razvoj embriona.“
Sperma voćne mušice (Drosophila) jedna je od najvećih u prirodi, što je čini odličnim modelom za ova istraživanja. Njegove mitohondrije nisu raštrkane, već su spojene duž repa u jednu izduženu strukturu. Ipak, jaje voćne mušice, kako je tim pokazao, uspeva da uništi čak i ovu veliku formaciju.
Ben-Hur i njegove kolege otkrili su da čim sperma prodre u jaje nego je dočekaju rojevi grozdova vezikula. Na način koji je očigledno svrsishodan i unapred programiran, ovi klasteri se odmah spajaju i formiraju vezikularnu ovojnicu koja pokriva celu dužinu repa spermatozoida. Zatim, mitohondrijalna struktura u repu sperme se razlaže, omotač i sve, na manje komade.
Nakon proučavanja hiljada embriona voćnih mušica, Ben-Hur i tim su bili iznenađeni kada su otkrili da vezikule koje formiraju ovojnicu sadrže molekule koji su uključeni u urođeni imunitet. Dalja istraživanja su pokazala da spoljna površina vezikularnog omotača sadrži velike količine proteina zvanog Rubicon, za koji je poznato da igra ulogu u imunološkom putu koji se zove fagocitoza povezana sa LC3 (LAP), za koju se zna da funkcioniše protiv invazivnih mikroba.
Ovaj uvid je naveo istraživače da dešifruju ceo put uključen u degradaciju mitohondrija i otkriju da je zaista sličan LAP-u. Štaviše, baš kao što se dešava unutar imunih ćelija koje ciljaju mikrobe, poslednji korak LAP-a u jajetu uključuje regrutovanje lizozoma, ćelijskih organela za reciklažu, koje završavaju degradaciju mitohondrija.
„Otkrili smo da jaje menja urođeni put imuniteta da uništi očinske mitohondrije. Na neki način ih tretira kao opasne prestupnike“, kaže Ben-Hur. Ovo otkriće pribegavanja jajeta antimikrobnim mehanizmima odgovara preovlađujućoj hipotezi o prvobitnom poreklu mitohondrija: u drevnoj prošlosti, mitohondrije su možda počele kao bakterije koje su napale ćelije višeg organizma i ostale jer se invazija pokazala korisnom za obe strane. .
Objašnjavajući kako jaje podnosi uništavanje tako ogromnih konstrukcija kao što su očinske mitohondrije voćne mušice, studija bi mogla otvoriti novi istraživački pravac u ćelijskoj biologiji. Njegovi nalazi mogli bi da usmere potragu za ranije nepoznatim načinima na koje ćelije razgrađuju velike strukture kao što su čitave oštećene organele.
Studija bi takođe mogla ponuditi nove naznake zašto očinske mitohondrije moraju biti uništene. Jedno uobičajeno objašnjenje se odnosi na potrebu ćelije da održi kompatibilnost između svoja dva genoma: jednog u jezgru, što je rezultat spajanja DNK majke i oca, i drugog, drugačijeg u mitohondrijima. Prema ovom objašnjenju, takvu kompatibilnost bi trebalo lakše postići kada sve mitohondrije nose samo majčinu DNK, jer bi se previše različitih DNK moglo sukobiti. Međutim, to možda nije cela priča. Očevi mitohondriji su znatno brojniji od majčinih, a njihov raspad i kod voćnih mušica i kod ljudi dešava se dugo nakon što je njihova DNK eliminisana.
„Činjenica da jaje pribegava iznenađujuće agresivnim mehanizmima da uništi očinske mitohondrije ukazuje na hitnost“, kaže Arama. „Jedan od mogućih razloga je taj što ove mitohondrije mogu sadržavati određene komponente koje nisu DNK, kao što su RNK, koje su štetne za embrion – ili, s druge strane, male negenetske molekule koji su dostupni uništenjem mitohondrija i mogu biti od vitalnog značaja za razvoj embriona.“
U stvari, kada je Ben-Hur stvorio mutirane embrione muva bez proteina Rubicon, ovi embrioni nisu uspeli da unište očinske mitohondrije — i nisu uspeli da se pravilno razviju.
Da li se očinske mitohondrije kod ljudi i drugih sisara uništavaju istim mehanizmima kao i kod voćnih mušica? Određene sličnosti su se već pojavile, uključujući ekspresiju molekula LC3 na očevim mitohondrijama i prisustvo klastera vezikula u blizini repa spermatozoida sisara nakon oplodnje.
Ako se ove sličnosti potvrde u daljim studijama, mogle bi pomoći u poboljšanju najsavremenijih tretmana plodnosti. Na primer, u jednoj uobičajenoj tehnici IVF-a, jedna sperma se ubrizgava u jaje kako bi se povećala verovatnoća oplodnje, umesto da se jaje izlaže višestrukim spermatozoidima u epruveti. Međutim, dokazi iz drugih oblasti ćelijske biologije sugerišu da bi ubrizganoj spermi možda nedostajali markeri potrebni za uništavanje njenih mitohondrija – markeri koje bi stekao da je spontano prodrla u jajnu ćeliju. Dodavanje ovih markera može potencijalno doprineti uspehu lečenja.
U pripremi za uništenje, očinske mitohondrije voćne mušice (zelene) su obložene grozdovima vezikula zvanim multivezikularna tela (magenta) koja su obložena proteinom Rubicon
Drugi tretmani za plodnost uključuju zamenu mitohondrija jajeta onima od donatora, na primer, kada se zna da mitohondrije majke nose mutaciju koja izaziva bolest. U takvim slučajevima, razumevanje mehanizama uništavanja mitohondrija može pomoći da se osigura da su mitohondrije donatora pravilno integrisane u oplođeno jaje.
Rep spermatozoida voćne mušice je dugačak oko 1,8 milimetara — otprilike 30 puta duži od repa ljudske sperme, čija je dužina oko 60 mikrona (mikrometara).
Zrelo jaje sisara ima između 100.000 i 600.000 mitohondrija, u poređenju sa samo 50 do 75 mitohondrija u jednoj spermi sisara.
