父方のミトコンドリアDNAの伝達

遺伝学において、父方mtDNA伝達および父方mtDNA遺伝とは、ミトコンドリアDNA（mtDNA）が父親から子孫に受け継がれる頻度を指します。父方mtDNA遺伝はごく一部の種で観察されます。一般的に、mtDNAは母親から子孫に変化なく受け継がれるため^{[ 1 ]} 、非メンデル遺伝の一例となります。対照的に、特定の二枚貝では両親からのmtDNA伝達が定期的に起こります。

動物における父方のミトコンドリアDNAの遺伝様式は様々である。例えば、ムラサキイガイ科の二枚貝では、父方のミトコンドリアDNA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}頭のヒツジ を検査したところ、「2つの半兄弟家系の3頭の子羊のミトコンドリアDNAに父方の遺伝が認められた」^{[ 5 ]}。ニワトリでは、父方の漏出の事例が研究されている^{[ 6 ]} 。ショウジョウバエの一種であるDrosophila simulansでは、 父方の漏出がミトコンドリア遺伝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、父方のmtDNAが子孫に伝わるかどうかについて議論があります。多くの研究では、父方のmtDNAは子孫に伝わらないと主張しています。^{[ 8 ]} この考えは、mtDNAの系譜学的DNA検査とミトコンドリア・イブの理論の中心となっています。ミトコンドリアDNAが母方から遺伝するという事実は、研究者が母方の系統をはるか昔までたどることを可能にします。父方から遺伝するY染色体DNAは、同様の方法で父方の系統をたどるために使用されます。

父親のmtDNAは精子の中片（ミトコンドリア鞘）に位置しており、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mtDNAに関してヘミ接合体であり、したがって互いに、そして母親と同一である。真核生物では細胞質に位置するため、mtDNAは減数分裂を経ず、通常は交叉も起こらないため、父親のmtDNAが遺伝子移入する機会はない。したがって、すべてのmtDNAは母方から遺伝する。mtDNAは、有名な「ミトコンドリア・イブ」の家系を推定するために使用されてきた。^{[ 9 ]}

有性生殖では、精子中に存在する父親由来のミトコンドリアは積極的に分解され、「父親由来の漏出」が防止される。哺乳類の精子中のミトコンドリアは、通常、受精後に卵細胞によって破壊される。1999年に、父親由来の精子ミトコンドリア（mtDNAを含む）は、胚内で後に破壊されるようにユビキチンで標識されることが報告された。^{[ 10 ]}一部の体外受精（IVF）技術、特に卵母細胞への精子の細胞質内注入（ICSI）は、これを妨げる可能性がある。

精子の尾部にはミトコンドリアDNA（mtDNA）が余分に含まれているため、それが卵子に入り込む可能性があることが現在では分かっている。このことが、父親由来のmtDNAの行方に関する議論を激化させている。

過去 5 年間、ヒトのミトコンドリア DNA (mtDNA) に組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 と Eyre-Walker、2004 を参照)。この議論は、組換えの直接的な証拠が発表されたことでついに終結したようです。Schwartz と Vissing (2002) は、筋肉組織に母方由来と父方由来の両方の mtDNA を持つ 28 歳の男性の症例を発表しました。他のすべての組織には、母方由来の mtDNA しかありませんでした。これは、ヒトの mtDNA で父方由来の漏出、ひいてはヘテロプラスミーが観察された最初の例でした。最近の論文で、Kraytsberg ら (2004) はこの観察をさらに一歩進め、この個体では母方と父方の mtDNA の間で組換えがあったことを示したと主張しています。^{[ 11 ]}

一部の情報源では、父親由来のミトコンドリアDNAの伝達量は非常に少なく、無視できるほどであると述べている（「ヒトの卵子には10万個のミトコンドリアがあり、精子にはわずか100個しかないため、せいぜい1000分の1未満であると推測される（佐藤・黒岩、1991）」[ ^{11 ] ）} 。また、父親由来のミトコンドリアDNAの伝達頻度が非常に低いため無視できるほどであると述べている（「しかしながら、研究により、父親由来のミトコンドリアDNAが子孫に伝達されることは非常にまれであるため、ミトコンドリアDNA分析は依然として有効であることが確立されている…」^{[ 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遺伝する可能性があることを示唆する研究もある。^{[ 13 ] [ 14 ]}

ヒトの父方由来のミトコンドリア漏出に関する論争は、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：ヒト進化論への示唆」にまとめられており、この研究は査読を経て米国科学アカデミー紀要に掲載された。^{[ 15 ]}この研究の要旨によると、次のとおりである。

脊椎動物では、ミトコンドリアの遺伝は主に母系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学的ツールとなっている。厳密な母系遺伝という一般的な見解に従い、多くの文献では、受精時にミトコンドリアを含む精子尾部が胚から排除されると主張している。しかし、これは誤りである。ヒトを含む大多数の哺乳類では、胚の中片ミトコンドリアは、最終的な運命は不明であるものの、確認することができる。「ミトコンドリア消失説」は、人類起源に関する仮説が論争を巻き起こした時代に、異議を唱えられることなく生き残り、広まったようだ。それは、アフリカからホモ・サピエンスが最近になって拡散したという「アフリカのイブ」モデルを支持するからである。

母方と父方のミトコンドリア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おり^{[ 16 ]}、1999年^{[ 17 ]}と2018年にはヒトでも発見されたと考えられている。この最後の発見は重要であり、3つの異なる家族の後の世代で両親由来のミトコンドリアDNAが観察され、母系伝達のドグマは依然として強いものの、父系伝達が存在する証拠があり、解明されれば生殖分野における新しいツールとなる可能性のあ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^{[ 18 ]}。しかし、ヒトでは、単一組織型のミトコンドリアの最大90%が父系伝達によって受け継がれたことが記録されているのは1例のみである^{[ 19 ] 。}

2005年の研究「ミトコンドリアDNAの非母系遺伝のさらなる証拠？」^{[ 20 ]} によると、ヘテロプラスミーは「mtDNAの新たに発見された遺伝形態である。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す。」^{[ 21 ]} ヘテロプラスミーは、発生中の突然変異が成体細胞のサブセットにのみ伝播することによって生じる場合もあれば、卵子に数百個のミトコンドリアが存在する結果、わずかに異なる2つのミトコンドリア配列が母親から遺伝することによって生じる場合もある。しかし、2005年の研究では次のように述べている。^{[ 20 ]}

既知のミトコンドリアDNA系統樹の異なる部分に由来する、全く異なる複数のタイプ（または組換え型）のミトコンドリアDNAが、同一人物から検出されることがしばしば報告されている。法医学的ミトコンドリアDNAデータの再解析と訂正から、モザイク状または混合型のミトコンドリアDNAという現象は、汚染や試料の混同のみに起因することが明らかになっている。

2018年にPNASに掲載された「ヒトにおけるミトコンドリアDNAの両親からの遺伝」というタイトルの研究では、mtDNAヘテロプラスミーのレベルが高いことが知られている3つの無関係な多世代家族の17人の個人において、父親由来のmtDNA（24～76%）が発見されました。^{[ 22 ]}

これらの家系におけるミトコンドリアDNA（mtDNA）の分離を包括的に調査した結果、mtDNAは両親から伝達され、常染色体優性遺伝に類似した遺伝様式を示すことが明らかになった。今回の結果は、mtDNAの母系遺伝という基本原則は依然として有効であるものの、父親由来のmtDNAが子孫に受け継がれる例外的なケースも存在することを示唆している。

クリプトスポリジウムなどの一部の生物は、DNAを全く含ま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遺伝することもあると報告されている。例えばバナナなどである。最近の研究では、タバコ（ Nicotiana tabacum）でも父親由来のミトコンドリアが伝達されることがさらに実証されており、父親由来のミトコンドリアは、母親から受け継いだ突然変異ミトコンドリアによって引き起こされる植物の成長や発達の欠陥を修復することができる^{[ 24 ]}。一部の針葉樹も、海岸セコイア（Sequoia sempervirens）のように、ミトコンドリアの父親由来の遺伝を示す。^{[ 25 ]}

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