Контроль качества митохондриального генома зависит от крист

Митохондриальные геномы (мтДНК) кодируют ключевые субъединицы дыхательной цепи, поэтому их мутации могут снижать выработку клеточной энергии и вызывать болезни. Учёные исследуют, как клетки сохраняют целостность мтДНК в поколениях. В новой работе, опубликованной в Science Advances, Кристофер Якубке и международная команда биологов и биофизиков показали, как одноклеточные дрожжи Saccharomyces cerevisiae внутриклеточно различают функциональную и дефектную мтДНК. Результаты поддерживают модель, согласно которой близость мтДНК к кодируемым ею белкам создаёт "сферу влияния" для сохранения функциональных копий генома.

Качество мтДНК в S. cerevisiae

Якубке и коллеги проверили, могут ли одноклеточные дрожжи различать интактную и мутантную мтДНК. Они генетически отслеживали судьбу дикого типа и мутантных копий мтДНК в гетероплазматических клетках. Для этого использовали два штамма дрожжей с противоположными типами спаривания:

• Первый штамм имел мтДНК дикого типа, но делецию гена Arg8, необходимого для синтеза аргинина. Он рос на среде с неферментируемыми источниками углерода, но не без аргинина.
• Второй штамм рос без аргинина, но не на неферментируемых источниках углерода.

Количественная ПЦР в реальном времени подтвердила, что оба штамма содержали сопоставимое количество мтДНК.

Эксперименты

С помощью микродиссекции одиночные зиготы переносили на агаризованную среду с глюкозой. Рост клеток отслеживали до пяти поколений. Метод выявил сильное смещение в пользу копий мтДНК дикого типа. Визуализация с помощью микроскопии подтвердила, что клетки S. cerevisiae способны различать мтДНК дикого типа и мутантную, способствуя наследованию здорового генома.

Отбор против мутантной мтДНК в непрерывной сети

Митохондрии в S. cerevisiae образуют непрерывную трубчатую сеть, динамику которой обеспечивают слияние и деление. Живая микроскопия показала, что, несмотря на смешение линий, зиготы продолжали различать типы мтДНК, производя дочерние клетки преимущественно с диким типом. Учёные предположили роль митохондриального деления в этом отборе, но не обнаружили усиления фрагментации митохондрий после спаривания клеток с разными типами мтДНК.

Функциональная компартментализация в митохондриях

Отбор происходил внутри непрерывной сети. Была выдвинута гипотеза о существовании субдоменов, чья функциональность определяется ближайшими копиями мтДНК. Исследования диффузии белков в живых клетках во время спаривания показали:

• Субъединицы комплексов дыхательной цепи достигали равновесия по всей митохондриальной трубке.
• Белки внутренней границы или внешней мембраны митохондрий — нет.

Ключевую роль в предотвращении смешения продуктов генов от разных копий мтДНК играли кристы — складки внутренней мембраны. Они поддерживают формирование митохондриальных субдоменов, ограничивая подвижность мтДНК. Способность выбирать между типами мтДНК была серьёзно нарушена у мутантов с дефектной архитектурой крист.

Выводы

Кристофер Якубке и коллеги показали, что одноклеточные S. cerevisiae способствуют наследованию здоровой популяции мтДНК. Процесс очищающего отбора происходит в непрерывной митохондриальной сети без необходимости слияния митохондрий. Мутанты с дефектными кристами не могли различать типы мтДНК. Результаты подтверждают существование "сферы влияния" мтДНК, которая зависит от сохранения нормальной архитектуры крист, и указывают на активный молекулярный механизм очистки клеток от мутантной мтДНК.