父系mtDNAの伝達

遺伝学において、父系mtDNA伝達および父系mtDNA継承とは、ミトコンドリアDNA （mtDNA）が父親から子孫に受け継がれることを指します。父系mtDNA継承は少数の種で観察されます。一般的に、mtDNAは母親から子孫に変化せずに受け継がれるため、^[1]非メンデル遺伝の一例となります。対照的に、両親からのmtDNAの伝達は、特定の二枚貝では定期的に発生します。

動物における父系mtDNAの継承は様々である。例えば、イガイ科のムール貝では、父系mtDNAは「精子を介して伝達され、雄の生殖腺にのみ定着する」。^{[2] [3] [4] 172頭の}羊 を検査したところ、「2つの半きょうだい家族の3頭の子羊のミトコンドリアDNAが父系継承を示していることが判明した」。^[5]父系漏出の事例は、鶏に関する研究で明らかになった。^{[6]父系漏出は、}ショウジョウバエ のミトコンドリア継承の不可欠な部分であるという証拠がある。^[7]

ヒトのミトコンドリア遺伝学では、父系のmtDNAの伝達が可能かどうかについて議論がある。多くの研究では、父系のmtDNAは子孫に伝達されないとされている。^[8] この考えは、mtDNAの系図DNA検査とミトコンドリア・イブの理論の中心となっている。ミトコンドリアDNAが母系で受け継がれるという事実により、研究者は母系血統をはるか過去に遡って追跡することができる。父系で受け継がれるY染色体DNAも同様の方法で、同系血統を追跡するために使用される。

父親のミトコンドリアDNAは精子の中片（ミトコンドリア鞘）にあり、受精時に失われるため、同じ母親から生まれた子供はすべて母親のミトコンドリアDNAのヘミ接合体であり、互いに、また母親と全く同一である。真核生物では細胞質に位置するため、ミトコンドリアDNAは減数分裂を起こさず、通常は交差が起こらないため、父親のミトコンドリアDNAが遺伝子移入される機会はない。したがって、すべてのミトコンドリアDNAは母系で受け継がれる。ミトコンドリアDNAは、よく知られている「ミトコンドリア・イブ」の血統を推測するために使用されてきた。^[9]

有性生殖では、精子に含まれる父親のミトコンドリアが活発に分解され、「父親の漏出」が防止されます。哺乳類の精子のミトコンドリアは通常、受精後に卵子によって破壊されます。1999年には、父親の精子のミトコンドリア（mtDNAを含む）がユビキチンでマークされ、胚内で後で破壊されるように選択されることが報告されました。^[10]一部の体外受精（IVF）技術、特に卵母細胞への精子の卵細胞質内精子注入（ICSI）は、これを妨げる可能性があります。

現在では、追加のmtDNAを含む精子の尾部も卵子に入る可能性があることが分かっています。これにより、父親のmtDNAの運命に関する論争が激化しました。

過去 5 年間、ヒトのミトコンドリア DNA (mtDNA) に組み換えがあるかどうかについてかなりの議論がありました (参考文献については、Piganeau および Eyre-Walker、2004 を参照)。この議論は、組み換えの直接的な証拠が発表されたことにより、ようやく終結したようです。Schwartz および Vissing (2002) は、筋肉組織に母親由来と父親由来の両方の mtDNA を持つ 28 歳の男性の症例を発表しました。彼の他のすべての組織には母親由来の mtDNA しかありませんでした。これは、父親由来の漏出、およびその結果としてのヘテロプラスミーがヒトの mtDNA で観察された初めてのケースでした。最近の論文で、Kraytsberg ら (2004) はこの観察をさらに一歩進め、この個人では母親由来と父親由来の mtDNA の間で組み換えがあったことを示したと主張しています。^[11]

いくつかの情報源によると、父方のミトコンドリアDNAはごくわずかしか伝わらないため無視できるほどである（「ヒトの卵子には10万個のミトコンドリアがあるのに対し、精子にはわずか100個しかないので、最大でも1000分の1以下であると推定される（佐藤・黒岩、1991年）」^[11]）、あるいは父方のミトコンドリアDNAはごくまれにしか伝わらないため無視できるほどである（「しかし、父方のミトコンドリアDNAが子孫に伝わることはめったにないため、ミトコンドリアDNA分析は依然として有効であることが研究で立証されている...」^[12]）。ごくまれに、人のミトコンドリアのごく一部が父親から受け継がれる可能性があることを示す研究もいくつかある。^{[13] [14]}

ヒトの父性受精に関する論争は、1996年の研究「ミトコンドリアと哺乳類の受精に関する誤解：人類進化理論への影響」にまとめられており、査読を経て米国科学アカデミー紀要に掲載された。^[15]この研究の要約によると、

脊椎動物では、ミトコンドリアの遺伝は主に母性であると考えられており、ミトコンドリア DNA 分析は標準的な分類ツールとなっています。厳格な母性遺伝という一般的な見解に従って、多くの情報源は、受精時に精子の尾部とそのミトコンドリアが胚から排除されると主張しています。これは誤りです。人間を含むほとんどの哺乳類では、最終的な運命は不明ですが、中片ミトコンドリアは胚で特定できます。「失われたミトコンドリア」の話は、人類の起源に関する仮説が論争されている時代に、異論なく生き残り、広まったようです。なぜなら、この話は、ホモサピエンスが最近アフリカから流出した「アフリカのイブ」モデルを裏付けているからです。

母親と父親のミトコンドリアDNAの混合は、1999年にチンパンジーで発見されたと考えられています^[16]。また、1999年^[17]と2018年にヒトでも発見されました。この最後の発見は重要です。なぜなら、3つの異なる家族のその後の世代で両親のミトコンドリアDNAが観察されたため、母親からの伝達の教義は依然として強力であるものの、父親からの伝達が存在するという証拠があり、解明されれば生殖分野で新しいツールとなり得るメカニズムが存在する可能性があるという結論に至ったからです（例えば、ミトコンドリア補充療法を避け、子孫が父親のミトコンドリアを継承するようにこのメカニズムを使用するなど）。^[18]しかし、単一の組織タイプのミトコンドリアの90％が父親からの伝達によって受け継がれたという記録された事例は、ヒトでは1件しかありません。^[19]

2005 年の研究「ミトコンドリア DNA の非母性遺伝のさらなる証拠?」によると、^{[20]ヘテロ} プラスミーは「mtDNA の遺伝の新しく発見された形態です。ヘテロプラスミーは、通常の遺伝パターンにわずかな統計的不確実性をもたらします。」^[21] ヘテロプラスミーは、成長中に突然変異が起こり、それが成人細胞のサブセットにのみ伝播することによって発生する場合もあれば、卵子に数百のミトコンドリアが存在する結果として、わずかに異なる 2 つのミトコンドリア配列が母親から受け継がれる場合に発生する場合もあります。ただし、2005 年の研究では次のように述べられています。^[20]

既知の mtDNA 系統発生の異なる部分からの、全く異なるミトコンドリア DNA の複数のタイプ (または組み換えタイプ) が、1 人の個人で報告されることがよくあります。法医学的 mtDNA データの再分析と訂正から、モザイクまたは混合 mtDNA の現象は、汚染とサンプルの混同のみに起因することが明らかになっています。

2018年にPNASに発表された「ヒトのミトコンドリアDNAの両親からの継承」と題した研究では、mtDNAヘテロプラスミーのレベルが高いことで知られる3つの血縁関係のない多世代家族の17人の個人に父方のmtDNA（24～76%の範囲）が見つかった。^[22]

これらの家族における mtDNA の分離を包括的に調査した結果、常染色体優性遺伝様式による両親間の mtDNA 伝達が明らかになりました。私たちの研究結果は、mtDNA の母性遺伝という中心的な教義は依然として有効であるものの、父方の mtDNA が子孫に受け継がれる例外的なケースがいくつかあることを示唆しています。

クリプトスポリジウムなどの一部の生物は、DNAを全く持たないミトコンドリアを持っています。^[23]

植物では、ミトコンドリアが父親から受け継がれることもあると報告されており、例えばバナナなどがその例です。また、セコイアやセコイア・セムペルビレンスなどの針葉樹でも、ミトコンドリアが父親から受け継がれることが示されています。

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• 遺伝子系譜学のトピックのリスト

• Marchington DR、Scott Brown MS、Lamb VK、他 (2002 年 11 月)。「ICSI 後の子または胚体外組織への父系 mtDNA の伝達を示す証拠なし」。Mol . Hum. Reprod . 8 (11): 1046–9 . doi : 10.1093/molehr/8.11.1046 . PMID  12397219。
• Sigurğardóttir S、Helgason A、Gulcher JR、Stefansson K、Donnelly P (2000 年 5 月)。「ヒト mtDNA 制御領域における変異率」。Am . J. Hum. Genet . 66 (5): 1599– 609. doi :10.1086/302902. PMC  1378010. PMID  10756141 。
• Zeviani M、Di Donato S (2004年10 月)。 「ミトコンドリア障害」。Brain . 127 ( Pt 10):  2153–72。doi : 10.1093 /brain/awh259。PMID 15358637。
• Hiendleder S、Wolf E (2003 年 8 月)。「胚技術におけるミトコンドリアゲノム」。Reprod . Domest. Anim . 38 (4): 290– 304. doi :10.1046/j.1439-0531.2003.00448.x. PMID  12887568。
• Barr CM、Neiman M、Taylor DR (2005 年 10 月)。「植物、菌類、動物におけるミトコンドリアゲノムの継承と組み換え」。New Phytol . 168 (1): 39– 50. doi : 10.1111/j.1469-8137.2005.01492.x . PMID  16159319。（PDF形式）
• ミトコンドリア DNA の父系継承 (PDF) マリアンヌ・シュワルツとジョン・ヴィッシング著、2002 年
• ピックフォード M (2001 年 6 月)。「失われた楽園: ミトコンドリア イブの反証」。人類の進化。6 (3): 263–8。doi : 10.1007 /BF02438149。S2CID  83475683。
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