Половые клетки эволюционировали для передачи качественных митохондрий

Согласно новому исследованию Университетского колледжа Лондона (UCL), млекопитающие используют специализированные яйцеклетки и сперматозоиды, чтобы обеспечить передачу будущим поколениям качественных митохондрий — «энергостанций» клеток.

Ранее было неясно, почему млекопитающие полагаются на выделенную линию половых клеток (зародышевую линию), формирующуюся на ранних стадиях развития, в то время как растения и простые животные (кораллы, губки) образуют половые клетки позже из обычных соматических тканей.

В новом исследовании, опубликованном в PLOS Biology, учёные UCL создали эволюционную модель, чтобы выяснить происхождение этих различий. Они обнаружили, что зародышевая линия у млекопитающих развилась в ответ на естественный отбор по качеству митохондрий.

Ключевой фактор — скорость мутаций в митохондриальной ДНК

• У растений митохондриальные мутации накапливаются медленно, поэтому выделенная зародышевая линия не нужна. Мутации корректируются естественным отбором, который максимизирует вариацию, формируя следующее поколение из тех же клеток, что и соматические ткани.
• У млекопитающих ошибки в митохондриальной ДНК накапливаются быстрее из-за высокого метаболизма. Использование клеток, прошедших множество циклов деления, стало бы риском. Поэтому митохондрии передаются следующему поколению через выделенную женскую зародышевую линию в виде крупных яйцеклеток, которые претерпевают гораздо меньше циклов репликации, чем клетки кишечника, кожи или крови.

Компенсация ограниченного разнообразия

Зародышевая линия гарантирует передачу митохондрий лучшего качества, но ограничивает генетическое разнообразие клеток развивающегося эмбриона. Млекопитающие компенсируют это, производя огромный избыток яйцеклеток, большинство из которых затем отбраковывается. Например, у человека при рождении присутствует более 6 миллионов клеток-предшественниц яйцеклеток, 90% которых элиминируются к началу полового созревания в процессе, называемом атрезией.

Эволюционный контекст

По мнению авторов, увеличение скорости мутаций митохондрий, вероятно, произошло около 550 млн лет назад во время Кембрийского взрыва, когда уровень кислорода вырос, и появились первые подвижные животные (трилобиты, хищники и жертвы). Возросшая активность увеличила нагрузку на митохондрии и, соответственно, частоту мутаций. Чтобы избежать их накопления, потребовалось сократить число клеточных делений, что привело к обособлению специализированной зародышевой линии.

Значение открытия

Без зародышевой линии не могли бы существовать животные со сложным развитием и мозгом. Новое исследование показывает, что её эволюция обусловлена не столько сложностью организма, сколько отбором по митохондриальным генам. Это открытие может изменить понимание развития, размножения и старения животных.