Почему митохондрии сохранили собственную ДНК?
Митохондрия — это бывшая бактерия, поглощенная предком эукариот около двух миллиардов лет назад. С тех пор этот «энергетический центр» клетки потерял большинство из своих первоначальных 2000+ генов, вероятно, передав их в ядро. Однако небольшой набор генов остался. Математик и биолог, проанализировавшие потерю генов митохондриями в эволюционном времени, предполагают, что митохондриальная ДНК (мтДНК) слишком важна, чтобы кодироваться в ядре, и эволюционировала, чтобы сопротивляться разрушительной среде внутри самой митохондрии. Их исследование опубликовано 18 февраля в Cell Systems.
Загадка «протекающего сарая»
«Потерянные» гены часто не исчезли — их белки производятся в ядре и импортируются в митохондрии. Остается вопрос: зачем хранить хоть что-то в митохондриях, если можно всё поместить в защищенное ядро? Это похоже на хранение десяти книг из центральной библиотеки в «протекающем сарае».
Анализ тысяч геномов
Чтобы выяснить, что делает оставшиеся гены незаменимыми, исследователи загрузили все доступные данные о митохондриальных генах в алгоритм, разработанный для анализа. Компьютерное моделирование позволило восстановить временную шкалу потери генов в ходе эволюции. Это первый data-driven подход к решению давнего вопроса.
Ключевые особенности оставшихся генов
Анализ выявил три ключевые особенности генов, сохранившихся в мтДНК:
- Они кодируют белки, критически важные для построения внутренней структуры самого органоида.
- Их продукты с высоким риском могут быть неправильно доставлены клеткой, если синтезируются в ядре.
- Эти гены используют древний паттерн кодирования, который позволяет молекулам мтДНК прочно связываться и сопротивляться разрывам.
Сопротивление экстремальной среде
Производство энергии в форме АТФ в митохондриях сопровождается выбросом свободных радикалов — побочных продуктов, аналогичных тем, что образуются при радиации. Уникальная структура мтДНК, вероятно, защищает её от этого разрушительного воздействия. Для работы в этой «экстремальной среде» нужны «специалисты» на месте.
Предсказуемость эволюции
Ученые также обнаружили, что потеря митохондриальных генов у разных эукариот следовала одному и тому же паттерну. Это указывает, что эволюция в данной cellular среде была не полностью случайной, а в значительной степени предсказуемой. Возможность предсказывать эволюционные пути открывает перспективы для синтетической биологии и изучения болезней.
Дальнейшие планы
В дальнейшем авторы планируют применить свой алгоритм для изучения хлоропластов (также имеющих собственную ДНК) и роли митохондриальных заболеваний в этой общей картине. Исследование не ставит точку в дискуссии, но находит общую основу для многих конкурирующих гипотез.