Атлас ПГТ-мт

Глава 3 · Основы ПГТ-мт

Митохондриальное бутылочное горлышко

У носительницы мутантной мтДНК в состоянии гетероплазмии ооциты могут различаться по мутационной нагрузке от почти нулевой до почти полной. Эту изменчивость объясняют митохондриальным «бутылочным горлышком» — и именно она делает ПГТ-мт возможным.

Уровень изложения

Основное

В тканях один уровень гетероплазмии, в ооцитах — другой

У 30-летней носительницы m.3243A>G в состоянии гетероплазмии 35% в крови, мутационная нагрузка в ооцитах составляла от 9 до 90%, а в эмбрионах — от 7 до 91% (Treff et al., 2012). Этот пример показывает, что уровень гетероплазмии может существенно различаться между ооцитами одной носительницы. По уровню гетероплазмии у матери нельзя заранее определить долю варианта в конкретном ооците (Smeets et al., 2023).

Что такое бутылочное горлышко

Митохондриальным бутылочным горлышком называют процесс, при котором в женской зародышевой линии состав мтДНК каждого будущего ооцита определяется значительно меньшим числом «единиц», чем общее число молекул в зрелом ооците (Stewart & Chinnery, 2015; Xie et al., 2026). Если из мешка с 30% красных шаров вынуть 1000 шаров, доля красных почти наверняка окажется близкой к 30%. Если вынуть 10 — она может оказаться и 0%, и 60%. Так и с мтДНК: чем меньше эффективный пул, тем сильнее случайные сдвиги гетероплазмии между ооцитами.

Физические копии и эффективные единицы

На ранних этапах развития зародышевой линии содержание мтДНК в клетке действительно резко снижается: в первичных половых клетках эмбриона человека его примерно в 1000 раз меньше, чем в зрелом ооците (Floros et al., 2018; Cree et al., 2008). Но «эффективный размер» бутылочного горлышка — не то же самое, что число физических молекул: молекулы мтДНК упакованы в белковые комплексы — нуклеоиды, и, по данным на мышах, реплицироваться может лишь часть молекул (Wai et al., 2008). Эффективный размер — статистическая величина, которую оценивают по разбросу гетероплазмии в потомстве (Otten et al., 2018).

Случай и, возможно, отбор

Значительную часть этой изменчивости объясняют случайным распределением молекул мтДНК (генетическим дрейфом). Однако накапливаются данные о том, что на некоторые мутации в мтДНК действует отбор — против высокой нагрузки или, наоборот, в пользу мутантных молекул, — и что он зависит от конкретного варианта (Otten et al., 2018; Zhang et al., 2021; Floros et al., 2018). Ни один механизм пока не доказан как универсальное объяснение для всех вариантов и стадий развития.

Почему это важно для ПГТ-мт

Различия в уровне гетероплазмии между ооцитами создают возможность выбора эмбриона с более низкой мутационной нагрузкой, а следовательно, позволяют снизить риск проявления заболевания у будущего ребёнка. Но та же изменчивость делает результат цикла непредсказуемым: в одном цикле эмбрионов с низкой гетероплазмией может быть несколько, в другом — ни одного (Hyslop et al., 2025). Симулятор ниже показывает, как размер эффективного пула влияет на разброс, — это иллюстрация модели, а не прогноз для конкретной пациентки.

Бутылочное горлышко объясняет, почему ооциты одной женщины различаются. Оно не позволяет заранее назвать уровень гетероплазмии конкретного эмбриона.

Углублённо

Постановка вопроса: дрейф и/или отбор

Ключевой вопрос генетики мтДНК сформулирован давно: передаются ли патогенные варианты как нейтральные, только за счёт случайного дрейфа, или на них действует отбор (Chinnery et al., 2000)? Современные данные указывают, что ответ зависит от варианта и стадии развития (Xie et al., 2026). Сама гипотеза бутылочного горлышка появилась после наблюдений у голштинских коров, у которых новый вариант мтДНК за несколько поколений изменял уровень гетероплазмии до гомоплазмии; для нейтральных вариантов такое бутылочное горлышко лишь ускоряет случайный дрейф, а для вредных распределение у потомства оказывается смещённым, что указывает на отбор (Xie et al., 2026).

Эффективный размер сегрегационного пула

В популяционно-генетических моделях дисперсию гетероплазмии в потомстве сравнивают с p₀(1 − p₀), где p₀ — исходный уровень, и по их отношению оценивают эффективное число сегрегирующих единиц. Otten и соавт. описали сегрегацию в ооцитах, зиготах и бластомерах носительниц распределением Кимуры и получили оценки размера горлышка от 10 до 145 у разных носительниц (Otten et al., 2018). Это означает, что даже если у двух матерей выявлен одинаковый уровень гетероплазмии, риск передать болезнь ребёнку у них может существенно отличаться. Эффективный размер суммирует действие многих процессов — числа единиц сегрегации, числа раундов деления и репликации — и не равен физической копийности.

Физическая копийность мтДНК

Floros и соавт. показали, что в первичных половых клетках эмбрионов человека на стадии CS12 мтДНК примерно в 1000 раз меньше, чем в ооцитах (медиана 1425 копий на клетку против в среднем 1,22×10⁶ в ооцитах), с примерно пятью молекулами мтДНК в одной митохондрии; редкие варианты достигали более высокого уровня гетероплазмии после завершения миграции, что согласуется с бутылочным горлышком (Floros et al., 2018). Копийность в первичных половых клетках человека оказалась ниже, чем у мыши на соответствующих стадиях; авторы делают вывод о более «узком» горлышке и более быстрой сегрегации у человека (Floros et al., 2018). На мышах Cree и соавт. объяснили быструю сегрегацию снижением числа молекул в эмбриогенезе (Cree et al., 2008), тогда как Wai и соавт. пришли к выводу, что горлышко формируется в постнатальном фолликулогенезе за счёт репликации лишь части геномов (Wai et al., 2008). Расхождение этих работ в сроках и механизме иллюстрирует, что единой окончательной модели нет. По данным обзора Xie и соавт., математическое моделирование с измеренной копийностью и числом клеточных делений показало, что одного снижения копийности достаточно, чтобы объяснить разброс гетероплазмии у потомства даже без отбора; биологический смысл горлышка при этом обсуждается — возможно, благодаря этому вредные мутации становятся уязвимыми для естественного отбора (Xie et al., 2026).

Возможная роль репликации и отбора

  • Отбор в первичных половых клетках. Floros и соавт. обнаружили признаки отбора против несинонимичных вариантов, вариантов генов тРНК и D-петли, совпадающие с переходом к окислительному метаболизму (Floros et al., 2018).
  • Преимущественное размножение мутантной мтДНК в ооците. У мышей с мутацией m.5024C>T доля мутантной мтДНК активно росла по мере созревания ооцитов (которое происходит без клеточных делений), однако накопление критически высоких уровней блокировалось очищающим отбором; сходная картина — преимущественная передача при низкой и отбор при высокой нагрузке — описана в родословных с m.3243A>G, m.8344A>G и m.8993T>G/C (Zhang et al., 2021).
  • Очищающий отбор и возраст. У мышей с мутациями в генах комплекса I, созданными методом редактирования оснований, очищающий отбор происходил преимущественно при постнатальном созревании ооцитов и усиливался по мере старения матери (Ru et al., 2024). Это данные на мышах; в исследованиях родословных человека, напротив, число новых мутаций мтДНК у детей положительно коррелировало с возрастом матери, и для клинических выводов нужны прямые наблюдения (Xie et al., 2026).
  • Ооциты человека. Дуплексное секвенирование мтДНК в индивидуальных ооцитах не выявило возрастного роста числа новых мутаций и указало на частотно-зависимый очищающий отбор (Arbeithuber et al., 2025); повторный анализ тех же данных в препринте приходит к иному выводу: в среднем преобладает положительный отбор — для некодирующих мутаций контрольного региона и, по оценке авторов, даже для кодирующих (Franco et al., 2026, preprint).
  • Разные «окна» отбора. Элиминация дефектной мтДНК у мышей привязана к разным этапам развития в зависимости от конкретной мутации. Отбор может запускаться после стадии первичных половых клеток и ооцитов (m.3875delC), в процессе созревания фолликулов (m.2820G>A, m.12918G>A), на стадии вторичных фолликулов (m.3177G>A) или в раннем эмбриогенезе посредством митофагии (m.5019A>G). Пока не совсем понятно, насколько эти расхождения отражают реальную биологию, а насколько — особенности исследовательских методов (Xie et al., 2026).
  • Уровни действия отбора. Описаны механизмы на уровне клеток (атрезия фолликулов), органелл (деление митохондрий, митофагия) и молекул (преимущественная репликация); большинство данных получено на мышах, дрозофиле и нематоде (Xie et al., 2026).
  • Популяционные данные. Патогенные варианты мтДНК с низким уровнем гетероплазмии встречаются примерно у 1 из 200 человек, а заболевания мтДНК — примерно у 1 из 5–10 тыс.; это расхождение указывает на отбор против передачи вредных вариантов. У человека данные менее последовательны, чем у мышей: крупные делеции почти не наследуются; в масштабном исследовании пар «мать — ребёнок» мутации в генах рРНК передавались потомству реже ожидаемого, в то время как варианты в области D-петли наследовались нейтрально или с преимуществом (Xie et al., 2026).
  • Вариант-специфичность у носительниц. Для m.3243A>G распределение лучше описывалось распределением Кимуры, усечённым на уровне 76,5% (отсутствие высоких нагрузок); для m.8993T>G значения были преимущественно крайними, а у потомства по данным родословных — чаще выше материнских; для m.14487T>C признаков отбора не нашли (Otten et al., 2018).

Различия между ооцитами одной женщины

Соматический уровень гетероплазмии у матери не позволяет предсказать её уровень в конкретном ооците. В работе Spath и соавт. у женщин с выявляемой гетероплазмией в соматических тканях доля эмбрионов с вариантом была выше, но и они имели эмбрионы без выявляемого варианта; m.8993T>G демонстрировал смещённую сегрегацию (Spath et al., 2021). Hellebrekers и соавт. отмечали, что у большинства носительниц точковых вариантов часть ооцитов имеет нагрузку ниже ориентира 18% (Hellebrekers et al., 2012).

Распределения для каждого варианта в эмбрионах

Опубликованные значения для эмбрионов, собранные в разделе Между разными эмбрионами, показывают преимущественно крайние значения для m.8993T>G и значительную долю промежуточных значений для m.3243A>G. Эти распределения — наблюдаемые данные отдельных семей и циклов; они не являются популяционными вероятностями и не учитывают межсемейные различия.

Что это значит для возможностей ПГТ-мт

  • Выполнимость ПГТ-мт зависит от разброса гетероплазмии между эмбрионами конкретной пациентки, а не от среднего значения для конкретного патогенного варианта мтДНК.
  • Математические модели прогнозируют риски и шансы на успех до начала цикла терапии, используя на входе уровень варианта у матери; родословные использованы для построения модели (Ji et al., 2023); эти оценки опираются на допущения о размере горлышка и порогах.
  • В программе Newcastle у пяти пациенток ПГТ не удалось получить эмбрион с гетероплазмией ниже 30% (Hyslop et al., 2025). Это наблюдение показывает, что ПГТ-мт не всегда позволяет получить эмбрион, удовлетворяющий выбранному критерию.

Ни дрейф, ни отбор, ни ограничение репликации не доказаны как единственное универсальное объяснение бутылочного горлышка. Относительный вклад механизмов у человека не измерен и, по-видимому, различается между вариантами и стадиями развития.

Схемы и модели

Интерактивная модель

Симулятор бутылочного горлышка

Модельный расчёт

Упрощённая стохастическая модель. Она показывает, как размер эффективного пула влияет на разброс гетероплазмии между ооцитами, и не предсказывает распределение эмбрионов конкретной пациентки.

Виртуальных ооцитов
0255075100гетероплазмия виртуального ооцита, %исходный уровень

Медиана 30%; половина значений — от 25 до 39%; диапазон 10–50%. Теоретическое стандартное отклонение — 10,2 п. п. (выборка № 1)

Математическая модель

Каждый виртуальный ооцит получает N сегрегирующих единиц, выбранных случайно и независимо из пула с долей мутантной мтДНК h₀. Число мутантных единиц K подчиняется биномиальному распределению K ~ Bin(N, h₀); гетероплазмия ооцита h = K / N. Среднее h равно h₀, дисперсия — h₀(1 − h₀) / N. Это однократная выборка Райта — Фишера; распределение Кимуры, которым описывают сегрегацию у носительниц, обобщает её на многократный дрейф (Otten et al., 2018).

K ~ Bin(N, h₀) · h = K / N · E[h] = h₀ · SD(h) = √(h₀(1 − h₀) / N)

Ограничения модели

  • N — условная статистическая величина, а не физическое число молекул мтДНК в клетке; опубликованные оценки для носительниц сильно различаются (например, 10–145) (Otten et al., 2018).
  • Модель учитывает только случайный дрейф: в ней нет отбора, преимущественной репликации, гибели клеток и созревания ооцитов, которые для части вариантов, по-видимому, существенны (глава 3).
  • Ооциты независимы и одинаковы; нет внутрисемейной корреляции, различий между циклами и возрастных эффектов.
  • Нет погрешности измерения, предела обнаружения и различий между ооцитом, эмбрионом и биоптатом.

Между разными эмбрионами →

От понятий к данным атласа

  • Между разными эмбрионами →

    Наблюдаемые распределения гетероплазмии в эмбрионах для каждого варианта — в отличие от модели выше, реальные опубликованные значения.

  • Совместная модель ПГТ-мт и ПГТ-А →

    Сценарный расчёт: сколько бластоцист нужно, чтобы с заданной вероятностью получить хотя бы одну эуплоидную с низкой гетероплазмией.

Источники главы (17)

DOI всех источников сверены с записями PubMed; исключения отмечены у записи.

  1. Treff NR, Campos J, Tao X, et al. (2012). Blastocyst preimplantation genetic diagnosis (PGD) of a mitochondrial DNA disorder. Fertil Steril 98:1236–1240. doi:10.1016/j.fertnstert.2012.07.1119 · PMID 22921075
  2. Smeets HJM, Sallevelt SCEH, Herbert M (2023). Reproductive options in mitochondrial disease. Handb Clin Neurol 194:207–228. doi:10.1016/B978-0-12-821751-1.00004-X · PMID 36813314
  3. Stewart JB, Chinnery PF (2015). The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy: implications for human health and disease. Nat Rev Genet 16:530–542. doi:10.1038/nrg3966 · PMID 26281784
  4. Xie Q, Walker HE, Minczuk M, Chiaratti MR, Chinnery PF (2026). Inheritance and selection of the mitochondrial genome. Nat Rev Genet (online ahead of print). doi:10.1038/s41576-026-01019-0 · PMID 42834120
  5. Floros VI, Pyle A, Dietmann S, et al. (2018). Segregation of mitochondrial DNA heteroplasmy through a developmental genetic bottleneck in human embryos. Nat Cell Biol 20:144–151. doi:10.1038/s41556-017-0017-8 · PMID 29335530
  6. Cree LM, Samuels DC, de Sousa Lopes SC, et al. (2008). A reduction of mitochondrial DNA molecules during embryogenesis explains the rapid segregation of genotypes. Nat Genet 40:249–254. doi:10.1038/ng.2007.63 · PMID 18223651
  7. Wai T, Teoli D, Shoubridge EA (2008). The mitochondrial DNA genetic bottleneck results from replication of a subpopulation of genomes. Nat Genet 40:1484–1488. doi:10.1038/ng.258 · PMID 19029901
  8. Otten ABC, Sallevelt SCEH, Carling PJ, et al. (2018). Mutation-specific effects in germline transmission of pathogenic mtDNA variants. Hum Reprod 33:1331–1341. doi:10.1093/humrep/dey114 · PMID 29850888
  9. Zhang H, Esposito M, Pezet MG, et al. (2021). Mitochondrial DNA heteroplasmy is modulated during oocyte development propagating mutation transmission. Sci Adv 7:eabi5657. doi:10.1126/sciadv.abi5657 · PMID 34878831
  10. Hyslop LA, Blakely EL, Aushev M, et al. (2025). Mitochondrial donation and preimplantation genetic testing for mtDNA disease. N Engl J Med 393:438–449. doi:10.1056/NEJMoa2415539 · PMID 40673696
  11. Chinnery PF, Thorburn DR, Samuels DC, et al. (2000). The inheritance of mitochondrial DNA heteroplasmy: random drift, selection or both?. Trends Genet 16:500–505. doi:10.1016/S0168-9525(00)02120-X · PMID 11074292
  12. Ru Y, Deng X, Chen J, et al. (2024). Maternal age enhances purifying selection on pathogenic mutations in complex I genes of mammalian mtDNA. Nat Aging 4:1211–1230. doi:10.1038/s43587-024-00672-6 · PMID 39075271
  13. Arbeithuber B, Anthony K, Higgins B, et al. (2025). Allele frequency selection and no age-related increase in human oocyte mitochondrial mutations. Sci Adv 11:eadw4954. doi:10.1126/sciadv.adw4954 · PMID 40768572
  14. Franco M, Fleischmann Z, Annis S, et al. (2026). Positive germline selection of mtDNA: evidence from the oocyte. bioRxiv (preprint, not peer reviewed). doi:10.64898/2025.12.31.697248 препринт, не прошёл рецензирование
  15. Spath K, Babariya D, Konstantinidis M, et al. (2021). Clinical application of sequencing-based methods for parallel preimplantation genetic testing for mitochondrial DNA disease and aneuploidy. Fertil Steril 115:1521–1532. doi:10.1016/j.fertnstert.2021.01.026 · PMID 33745725
  16. Hellebrekers DMEI, Wolfe R, Hendrickx ATM, et al. (2012). PGD and heteroplasmic mitochondrial DNA point mutations: a systematic review estimating the chance of healthy offspring. Hum Reprod Update 18:341–349. doi:10.1093/humupd/dms008 · PMID 22456975
  17. Ji D, Zhang N, Zou W, et al. (2023). Modeling-based prediction tools for preimplantation genetic testing of mitochondrial DNA diseases: estimating symptomatic thresholds, risk, and chance of success. J Assist Reprod Genet 40:2185–2196. doi:10.1007/s10815-023-02880-2 · PMID 37439868

Библиография →