Мухи-мутанты используют все способы для преодоления генетической мутации в митохондриях

Новое исследование Университета Небраски-Линкольн показало, как личинки плодовой мушки (Drosophila) с, казалось бы, фатальным дефектом выживают и достигают взрослой стадии.

В клетках мух, как и всех многоклеточных организмов, есть два генома: в ядре и в митохондриях. Они содержат взаимодополняющие инструкции для сборки важного молекулярного конвейера в клетках — цепи переноса электронов. Этот конвейер передаёт электроны вдыхаемому кислороду и помогает генерировать клеточную энергию (ATP), необходимую для жизнедеятельности.

Однако определённая генетическая мутация в митохондриальной ДНК нарушает её «инструкцию», в результате чего производимые митохондриями части не стыкуются с ядерными. Это мешает работе конвейера на оптимальной эффективности и затрудняет кислородное производство энергии (аэробное).

Казалось бы, такая мутация должна быть смертельной для мух, но этого не происходит.

Исследователи Омера Мату и Кристи Монтут изначально не планировали изучать этот вопрос. Они собирали контрольные данные по развитию личинок четырёх генетических линий мух (три обычных, одна мутантная) для сравнения с развитием в присутствии этанола — побочного продукта гниющих фруктов, которыми они питаются.

«Затем контрольная группа вышла из-под контроля», — сказала Монтут, доцент биологических наук.

Метаболизм линий по-разному менялся в трёх фазах развития личинок. Например, некоторые личинки второй фазы производили ATP способами, характерными для третьей фазы, и наоборот. Это побудило учёных детальнее сравнить четыре линии, что раскрыло механизмы выживания мутантной линии с неисправными митохондриями.

Ключевые адаптации мутантов:

1. Усиление аэробного производства. Три обычные линии, как и ожидалось, переходили на кислородное производство ATP на поздних стадиях развития. Мутантная линия, несмотря на неисправный конвейер, ещё больше усилила аэробную активность, чтобы компенсировать её неэффективность.
2. «Короткое замыкание» митохондрий. Неисправное оборудование производило много энергии, но также приводило к накоплению побочного продукта — перекиси водорода (H₂O₂), повреждающей клетки. В ответ клетки позволили большему количеству положительно заряженных протонов просачиваться через мембраны митохондрий, по сути, «закорачивая» органеллу, чтобы предотвратить летальное накопление H₂O₂.
3. Активация анаэробного цикла. Параллельно с усилением кислородозависимой активности, мутантные клетки активировали и бескислородный (анаэробный) цикл производства ATP. Такой подход обычно является последним средством клеток без доступа к кислороду или используется раковыми клетками.

Мату сравнила эту двойную стратегию ATP со студентом, который отчаянно нуждается в высшем балле и для этого и усердно учится регулярно, и усиленно зубрит в последнюю ночь.

«Эти личинки должны завершить своё развитие. Но поскольку у этой линии есть дефект, она использует… практически всё. Она читает три часа в день, а потом ещё и тянет всю ночь. Так что она делает всё возможное для достижения той же цели, что очень интересно, потому что говорит: в природе нет единственного решения проблемы», — пояснила Мату, постдок в области биологических наук.

Хотя такой «всеспасающий» подход работает в краткосрочной перспективе, в долгосрочной он имеет последствия: мутанты менее плодовиты, и взрослые самки откладывают примерно на 50% меньше яиц. Однако тот факт, что взрослые мутанты в остальном выглядят и ведут себя как обычные мухи, говорит о силе адаптивности развития.

«Мы склонны думать, что развитие идёт только одним путём, и особенно у мух оно очень быстрое, почти детерминированное. Поэтому, думаю, многих удивит, что существует генетическая вариация в сроках того, что кажется критическим переключением в метаболизме», — отметила Монтут.