Универсальные правила эволюции энергостанций клетки раскрыты методами науки о данных

Митохондрии — это компартменты (органеллы) в наших клетках, поставляющие химическую энергию. Хлоропласты — органеллы растений и водорослей, осуществляющие фотосинтез. Международная исследовательская группа под руководством Университета Бергена с помощью методов data science и вычислительной биологии показала, что эволюцией этих и других органелл управляют одни и те же «правила».

Оба типа органелл когда-то были независимыми организмами со своими полными геномами. Миллиарды лет назад они были захвачены другими клетками. С тех пор органеллы утратили большую часть своих генов. Почему некоторые гены остались в митохондриальной и хлоропластной ДНК, оставалось предметом многолетних споров.

Для нового взгляда на проблему учёные применили data-driven подход. Они собрали данные о всех секвенированных органеллярных геномах и с помощью моделирования, биохимии и структурной биологии представили различные гипотезы о сохранении генов в виде числовых характеристик. Используя инструменты data science и статистики, они проверили, какие идеи лучше всего объясняют наблюдаемые закономерности.

«Из моделирования выявились чёткие паттерны, — объясняет постдок К. Гианнакис. — Многие из этих генов кодируют субъединицы крупных клеточных машин, которые собираются как пазл. Гены, кодирующие фрагменты в центре такого пазла, с наибольшей вероятностью остаются в ДНК органелл».

Команда полагает, что это связано с необходимостью локального контроля над производством ключевых субъединиц для быстрого ответа на изменения (версия модели CoRR). Данные также подтвердили и другие идеи:

• Гены, кодирующие гидрофобные продукты, которые трудно импортировать в органеллу, часто в ней сохраняются.
• Гены, закодированные с использованием химических групп с более сильным связыванием, также чаще сохраняются, вероятно, из-за их устойчивости в агрессивной среде органеллы.

«Раньше эти гипотезы обычно считались конкурирующими, — говорит профессор И. Джонстон. — Но на самом деле ни один механизм в отдельности не объясняет все наблюдения — требуется их комбинация».

К удивлению исследователей, модели, обученные на данных о митохондриальных генах, успешно предсказывали сохранение генов в хлоропластах, и наоборот. Те же генетические особенности влияют и на эволюцию более поздних эндосимбионтов — организмов, недавно захваченных другими хозяевами.

«Это был момент "вау", — говорит Джонстон. — Видеть эту универсальную, количественную связь — чтобы данные об одной органелле точно предсказывали паттерны в другой — было действительно поразительно».

Исследование опубликовано в Cell Systems. Теперь команда изучает, как разные организмы поддерживают сохранённые органеллярные гены, мутации в которых могут вызывать тяжёлые наследственные заболевания.