Как цитоплазматическая ДНК адаптируется, избегая вредных мутаций

Примерно 1,5–2 миллиарда лет назад произошло великое эволюционное «поглощение». Учёные полагают, что одна бактерия поглотила другую, создав новый тип клетки — эукариот.

Эукариоты несут собственную ДНК в ядре, передаваемую каждому поколению, а также содержат «наследие» эволюционного прошлого в цитоплазме. Эта ДНК включает митохондрии у животных и пластиды у растений — энергетические станции клетки, передающиеся обычно только по материнской линии.

Но адаптируется ли эта цитоплазматическая ДНК внутри клетки? И если да, то как ей это удаётся, имея, казалось бы, меньше эволюционных возможностей? Цитоплазматическая ДНК не может так же легко избавляться от вредных мутаций, как ядерная ДНК (так же, как и мужская Y-хромосома, которая поэтому медленно сокращается).

Только ядерная ДНК может закреплять полезные мутации и удалять вредные, «перетасовывая» свой геном во время размножения после слияния сперматозоида и яйцеклетки. Для митохондрий и плазмид существует только бесполое размножение.

Исследователи из Университета Сиднея Джошуа Кристи и Мадлен Бикман использовали вычислительные инструменты, чтобы лучше понять адаптацию цитоплазматической ДНК и то, как она способствует полезным мутациям и, что важнее, избегает вредных, которые могут стать «троянским конём» для всей клетки и здоровья организма.

«Почему митохондриальный геном всё ещё силён после 1,5–2 миллиардов лет? Всё сводится к фундаментальной разнице между мужскими и женскими половыми клетками, или гаметами. В то время как каждый сперматозоид содержит одну половую хромосому (X или Y), каждая яйцеклетка содержит множество митохондрий. Поскольку митохондрии необходимы для функции клетки (они обеспечивают энергию), яйцеклетки с дефектными митохондриями отбраковываются естественным отбором. В результате только яйцеклетки с полным набором здоровых митохондрий имеют шанс произвести зиготу», — поясняет соавтор Мадлен Бикман.

Исследование показывает, насколько эффективно биология цитоплазматических геномов — в частности, их организация внутри клеток-хозяев и униродительское наследование — позволяет им накапливать полезные замены и очищаться от вредных быстрее, чем свободноживущим половым геномам.

«Таким образом, в то время как самцы готовы передать своим сыновьям любую Y-хромосому, самки, кажется, относятся к будущему своего потомства немного серьёзнее», — отмечает Бикман.

Полученные общие выводы могут быть применены для понимания адаптации и других цитоплазматических геномов. Помимо митохондрий, к ним относятся пластиды и облигатные эндосимбионты, такие как Rickettsia, Buchnera и паразит Wolbachia.