การถ่ายทอดดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียจากมารดา

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย (mitochondrial DNA หรือ mtDNA) เกือบทั้งหมดถ่ายทอดจากมารดาไปยังบุตร เนื่องจากเซลล์ไข่เป็นผู้จัดหาส่วนของไซโทพลาสซึมและไมโทคอนเดรียทั้งหมดให้กับตัวอ่อน ในขณะที่ไมโทคอนเดรียของบิดา (จากอสุจิ) มักจะถูกกำจัดออกไป ดังนั้น mtDNA ของแต่ละบุคคลจึงสืบย้อนกลับไปตามสายมารดาที่ไม่ขาดตอน ทำให้เกิดรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบไม่เป็นไปตามกฎของเมนเดลและถ่ายทอดจากบิดามารดาฝ่ายเดียว

Definition

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดา (Maternal inheritance) คือการถ่ายทอดดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียจากมารดาไปยังลูกหลานทุกคนผ่านทางไซโทพลาสซึมของเซลล์ไข่ โดยมีการมีส่วนร่วมจากบิดาเพียงเล็กน้อย ทำให้เกิดรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากบิดามารดาฝ่ายเดียวและไม่เป็นไปตามกฎของเมนเดล

Scope

หัวข้อนี้จะอธิบายว่าเหตุใด mtDNA จึงมีรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดามากกว่าที่จะเป็นไปตามกฎของเมนเดล อธิบายพื้นฐานทางเซลล์สำหรับการสูญเสียไมโทคอนเดรียของบิดา และผลที่ตามมาสำหรับแผนภูมิลำดับเครือญาติ: มารดาที่ได้รับผลกระทบสามารถถ่ายทอดความแปรปรวนทางพันธุกรรมไปยังบุตรทุกคนได้ ในขณะที่บิดาที่ได้รับผลกระทบจะไม่ถ่ายทอดความแปรปรวนนั้น นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการใช้สายเลือดมารดาในการศึกษาพันธุศาสตร์ประชากรด้วย หัวข้อนี้ไม่ได้ครอบคลุมถึงพลวัตของเฮเทอโรพลาสมี (heteroplasmy dynamics) หรือคอขวด (bottleneck) ในเชิงปริมาณ ซึ่งจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• ทำไมดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียจึงถ่ายทอดจากมารดาเท่านั้น?
• เกิดอะไรขึ้นกับไมโทคอนเดรียของบิดา (จากอสุจิ) หลังการปฏิสนธิ?
• รูปแบบแผนภูมิลำดับเครือญาติที่เกิดจากการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดาเป็นอย่างไร?
• การถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดาแตกต่างจากการถ่ายทอดแบบออโตโซมอลและ X-linked อย่างไร?
• เหตุใดสายเลือดมารดาจึงมีประโยชน์ในการสืบหาบรรพบุรุษของมนุษย์?

Key concepts

• การถ่ายทอดจากบิดามารดาฝ่ายเดียว (มารดา)
• ไซโทพลาสซึมของเซลล์ไข่เป็นผู้ให้ไมโทคอนเดรีย
• การกำจัดไมโทคอนเดรียของบิดา
• การถ่ายทอดแนวดิ่งผ่านทางสายเพศหญิง
• บิดาที่ได้รับผลกระทบไม่ถ่ายทอดลักษณะดังกล่าว
• แฮปโลกรุ๊ปของไมโทคอนเดรียและลำดับวงศ์ตระกูลทางสายมารดา

Mechanisms

ในการปฏิสนธิ เซลล์ไข่มีส่วนร่วมในการให้ไซโทพลาสซึมส่วนใหญ่ของไซโกต และด้วยเหตุนี้จึงให้ไมโทคอนเดรียจำนวนมาก ซึ่งมีสำเนา mtDNA นับแสนชุด ในขณะที่อสุจิมีจำนวนค่อนข้างน้อย ไมโทคอนเดรียของบิดาที่เข้าสู่เซลล์ไข่มักจะถูกกำจัดออกไป ดังนั้น mtDNA ของตัวอ่อนจึงมีต้นกำเนิดจากมารดาอย่างมีประสิทธิภาพ ไจลส์และคณะได้แสดงให้เห็นรูปแบบการถ่ายทอดจากมารดานี้ในมนุษย์ในปี 1980 ผลลัพธ์ที่ได้คือแผนภูมิลำดับเครือญาติที่ผู้หญิงที่มีความแปรปรวนของ mtDNA สามารถส่งต่อให้ลูกทุกคนได้ ทั้งลูกชายและลูกสาว แต่มีเพียงลูกสาวเท่านั้นที่จะส่งต่อได้อีกทอดหนึ่ง ผู้ชายที่ได้รับผลกระทบจะไม่ส่งต่อความแปรปรวนนั้นให้ลูก เนื่องจาก mtDNA ของแต่ละรุ่นสืบทอดมาจากแหล่งกำเนิดของมารดาเพียงแหล่งเดียว โมเลกุลจึงสะสมความแปรปรวนที่กำหนดสายเลือด ซึ่งจัดกลุ่มประชากรออกเป็นแฮปโลกรุ๊ป (haplogroups) ที่ใช้ในการสร้างสายเลือดมารดาขึ้นใหม่

Clinical relevance

การตระหนักถึงการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดาช่วยอธิบายว่าเหตุใดความผิดปกติที่เกิดจากความแปรปรวนของ mtDNA จึงสามารถปรากฏในรุ่นต่อๆ ไปทางฝั่งมารดาและส่งผลกระทบต่อทั้งสองเพศ แต่ไม่ถูกส่งต่อโดยผู้ชายที่ได้รับผลกระทบ รูปแบบนี้เป็นส่วนหนึ่งที่แพทย์และครอบครัวใช้ในการทำความเข้าใจภาวะไมโทคอนเดรีย แต่เนื้อหานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่สิ่งทดแทนการให้คำปรึกษาทางพันธุกรรมเฉพาะบุคคล

History

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบไซโทพลาสซึมที่ไม่เป็นไปตามกฎของเมนเดลได้ถูกสังเกตพบในพืชและเชื้อรามานานหลายทศวรรษ แต่การถ่ายทอด mtDNA ของมนุษย์จากมารดาได้รับการยืนยันในปี 1980 เมื่อไจลส์และคณะได้ติดตามความแปรปรวนของตำแหน่งการตัดด้วยเอนไซม์จำเพาะ (restriction-site variants) ในครอบครัวต่างๆ และพบว่ามีการถ่ายทอดผ่านทางสายมารดาเท่านั้น การค้นพบนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการใช้ mtDNA ในการศึกษาการวิวัฒนาการของมนุษย์ในภายหลัง และการตระหนักถึงโรคไมโทคอนเดรียที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดา

Debates

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของบิดามีส่วนร่วมกับลูกหลานหรือไม่?

การถ่ายทอดจากมารดาเป็นกฎทั่วไป และกลไกต่างๆ จะกำจัดไมโทคอนเดรียของบิดาอย่างแข็งขัน มีรายงานที่แยกออกมาเกี่ยวกับการถ่ายทอดหรือการรั่วไหลจากบิดาที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้น ซึ่งมีการอธิบายและถกเถียงกัน แต่ถือว่าเป็นข้อยกเว้นที่หายากมากกว่าที่จะเป็นการแก้ไขกระบวนทัศน์การถ่ายทอดจากมารดา

Key figures

• Douglas C. Wallace
• Robert E. Giles
• Howard M. Cann

Seminal works

• giles-1980

Frequently asked questions

บิดาสามารถส่งต่อดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียให้ลูกได้หรือไม่?

ภายใต้สถานการณ์ปกติ ไม่ได้ เซลล์ไข่เป็นผู้จัดหาไมโทคอนเดรียให้กับลูกหลาน และไมโทคอนเดรียของบิดาจากอสุจิมักจะถูกกำจัดออกไป ดังนั้น mtDNA จึงถูกถ่ายทอดจากมารดา

หากมารดามีความแปรปรวนของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย ใครบ้างที่สามารถรับการถ่ายทอดได้?

ลูกทุกคนของเธอ ทั้งลูกชายและลูกสาว สามารถรับการถ่ายทอดได้ เนื่องจากความแปรปรวนนั้นอยู่ในไซโทพลาสซึมของเซลล์ไข่ อย่างไรก็ตาม มีเพียงลูกสาวของเธอเท่านั้นที่สามารถส่งต่อให้คนรุ่นต่อไปได้