Novas mutações ocorrem em taxas crescentes nos genomas mitocondriais de óvulos em desenvolvimento em macacos rhesus idosos, mas os aumentos parecem se estabilizar em uma certa idade e não são tão grandes quanto os observados em células não reprodutivas, como músculos e fígado. Um novo estudo usando uma metodologia de sequenciamento de DNA incrivelmente precisa sugere que pode haver um mecanismo de proteção que mantém a taxa de mutação nas células reprodutivas relativamente mais baixa em comparação com outros tecidos em primatas, fato que pode estar relacionado à propensão do primata – e, portanto, do humano – a reproduzir em idades posteriores.
"Por causa das doenças em humanos causadas por mutações no genoma mitocondrial e a tendência nas sociedades humanas modernas de ter filhos em idades mais avançadas, é vital entender como as mutações se acumulam com a idade", disse Kateryna Makova, Verne M. Willaman Chair of Life Sciences na Penn State e líder da equipe de pesquisa.

"Meu laboratório está interessado em estudar mutações - incluindo mutações no DNA mitocondrial - há muito tempo. Também estamos interessados ​​na evolução, então queríamos ver como as mutações no DNA mitocondrial se acumulam nas células reprodutivas porque essas mutações podem ser transmitidas para a próxima geração." Um artigo descrevendo o estudo, liderado por pesquisadores da Penn State, aparece on-line na semana de 4 de abril de 2022 em The Proceedings of the National Academy of Sciences .

As mitocôndrias são organelas celulares - muitas vezes chamadas de usina de força da célula por causa de seu papel na produção de energia - que têm um genoma próprio separado do "genoma nuclear" da célula, que está localizado no núcleo e é o que muitas vezes pensamos como "o" genoma. Mutações no DNA mitocondrial contribuem para várias doenças humanas, mas estudar novas mutações é um desafio porque mutações verdadeiras são difíceis de distinguir de erros de sequenciamento, que ocorrem em uma taxa mais alta em comparação com a taxa de mutação para a maioria das tecnologias de sequenciamento.

"Para superar essa dificuldade, usamos um método chamado 'sequenciamento duplex'", disse Barbara Arbeithuber, pesquisadora de pós-doutorado na Penn State na época da pesquisa e agora líder do grupo de pesquisa na Johannes Kepler University Linz, na Áustria. "O DNA é composto de duas fitas complementares, mas a maioria das técnicas de sequenciamento só analisa as sequências de uma fita de cada vez. No sequenciamento duplex, construímos sequências de consenso para cada fita individualmente e depois comparamos as duas. É extremamente improvável que ocorram erros acontecem no mesmo lugar em ambas as fitas, então quando vemos a mudança em ambas as fitas, podemos ter certeza de que representa uma verdadeira mutação."

A equipe sequenciou o genoma mitocondrial de células musculares, células hepáticas e oócitos – células precursoras no ovário que podem se tornar óvulos – em macacos rhesus com idades entre 1 e 23 anos. Essa faixa etária abrange quase toda a vida reprodutiva dos macacos. Tecidos para o estudo foram coletados de forma oportunista ao longo de vários anos em centros de pesquisa de primatas quando os animais morreram de causas naturais ou foram sacrificados por causa de doenças não relacionadas à reprodução. Oócitos, e não espermatozóides, foram usados ​​porque as mitocôndrias são herdadas exclusivamente através da linha materna.

No geral, os pesquisadores observaram um aumento na frequência de mutação em todos os tecidos testados à medida que os macacos envelheciam. As células do fígado experimentaram a mudança mais dramática com um aumento de 3,5 vezes na frequência de mutação ao longo de aproximadamente 20 anos. A frequência de mutação no músculo aumentou 2,8 vezes no mesmo período. A frequência de mutação em oócitos aumentou 2,5 vezes até os nove anos de idade, quando permaneceu estável.

"From a reproductive biology perspective, oocytes are really interesting and special cells," said Francisco Diaz, associate professor of reproductive biology at Penn State. "They are generated prior to birth and sit in the ovary for years and years and years, and then a few of them are activated each reproductive cycle. So, you would expect them to accumulate a lot of mutations over that time, but instead we see that they accumulate mutations for a while and then they do not. This seems to indicate that the germ line—reproductive cells like egg and sperm—may be more resilient than we thought."

In addition to changes in the rate of mutations over time, the research team also identified variation in mutation frequency across the mitochondrial genome, including several hotspots where mutations occurred much more frequently than you would expect by chance that varied by tissue. One of the hotspots was located in the region responsible for copying of mitochondrial genomes.

"Although it is very challenging to perform a study like this in humans, using a primate model species gives us a close approximation," said Makova. "Our results suggest that primate oocytes might have a mechanism to protect or repair their mitochondrial DNA, an adaptation that helps to allow later reproduction. The precise mechanism leading to the plateau in mutation frequency in oocytes remains enigmatic, but it might act at the level of elimination of defective mitochondria or oocytes."