От кораллов к культурам: как жизнь защищает планы своих клеточных электростанций

Международная группа исследователей под руководством Университета Бергена выяснила, как организмы — от сельскохозяйственных культур до кораллов — могут избегать смертельного повреждения ДНК в процессе эволюции.

Клетки животных, растений и грибов содержат компартменты, производящие химическое топливо. В них находится собственная ДНК (органелльная ДНК, oDNA), хранящая инструкции для важных клеточных механизмов. Однако эта ДНК может мутировать, что нарушает инструкции и мешает клеткам производить достаточно энергии.

У людей и некоторых других животных процесс под названием «бутылочное горлышко» позволяет части потомства унаследовать меньше мутировавшей oDNA. Этот процесс требует раннего развития яйцеклеток матери, как у людей, где девочка рождается уже со всеми сформированными яйцеклетками. Но у других организмов, от растений до грибов, эти клетки не развиваются рано — их гибкий план строения тела означает, что яйцеклетки не «откладываются» заранее.

Учёные использовали математическое моделирование, чтобы показать, что процесс под названием конверсия генов — контролируемая перезапись ДНК — теоретически может позволить части потомства унаследовать меньше мутантной oDNA без необходимости «бутылочного горлышка». Используя геномные данные, они обнаружили механизмы, контролирующие этот процесс, у растений и грибов, а также у мягких кораллов, губок и водорослей — всех организмов без фиксированного плана строения тела. Также выяснилось, что эти механизмы наиболее активны в тех частях растений, которые в итоге дадут семена следующего поколения, что указывает на их реальное использование для снижения числа наследуемых мутаций.

«В совокупности получается, что организмы без фиксированного плана строения тела — растения, грибы, кораллы, губки, водоросли — могли принять на вооружение конверсию генов для борьбы с мутациями oDNA», — сказал Иэн Джонстон, доцент Математического института UiB, руководивший исследованием. — «Люди и другие животные могут развивать яйцеклетки рано и использовать «бутылочное горлышко»; другие организмы могут вместо этого использовать конверсию генов».

В дальнейшем команда планирует изучить, как эта перезапись oDNA вызывает другие проблемы у использующих её организмов — включая сельскохозяйственные культуры, где это может приводить к стерильности. Они также исследуют более широкий вопрос: почему эти компартменты вообще содержат oDNA, учитывая риск мутационных повреждений.

Исследование, финансируемое Европейским исследовательским советом, будет опубликовано в PLOS Biology.