Новые данные о том, как растения сохраняют здоровые геномы и избегают митохондриальных болезней
Митохондриальные заболевания поражают миллионы людей в мире, включая примерно 1 из 4300 человек в США. Их причина — в мутациях генов внутри митохондрий, клеточных органелл, производящих энергию. Митохондриальные геномы наследуются только от матери и имеют крайне высокую скорость мутаций у людей и животных, что легко передаётся потомству.
Учёные из Университета штата Колорадо исследуют эти вопросы на растениях, которые редко испытывают мутации в митохондриальных геномах и умеют их быстро исправлять, не передавая потомству.
Как растения справляются с митохондриальными мутациями?
Исследование под руководством Аманды Броз из лаборатории Дэна Слоана, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что растения эффективно сортируют нормальную и мутантную ДНК в митохондриях и хлоропластах. После сортировки вступает в действие естественный отбор: потомство, унаследовавшее повреждённую ДНК, имеет меньше шансов на выживание, поэтому мутация не передаётся дальше.
В отличие от людей, у которых повреждённая ДНК остаётся смешанной с нормальной и передаётся из поколения в поколение, растения быстро и эффективно удаляют гетероплазмию — одновременное присутствие мутантной и немутантной ДНК в клеточных компартментах.
Используя чувствительный метод digital droplet PCR, исследователи отследили распространение митохондриальных мутаций у растения Arabidopsis во времени и пространстве.
Ключевая роль гена MSH1
Учёные сфокусировались на гене MutS homolog 1 (MSH1), который есть у растений, но отсутствует у людей. Растения с мутациями в этом гене, выращенные в лаборатории, показали, что MSH1 критически важен для поддержания низкой скорости мутаций в митохондриях.
Функциональные копии гена MSH1 ускоряют процесс сортировки ДНК в митохондриях растений. Исследователи полагают, что MSH1 сначала идентифицирует и исправляет мутации в митохондриальной ДНК. Если же мутация сохраняется, этот ген помогает быстро отделить её от нормальной ДНК.
"Наша работа показывает, как природа разработала несколько способов борьбы с мутациями в геномах органелл. Понимание того, как растения поддерживают низкий уровень митохондриальных мутаций, может помочь нам разобраться, почему этот процесс нарушается у людей, и потенциально как это можно исправить", — сказала Аманда Броз.
Дальнейшие исследования
Учёные планируют создать математическую модель для понимания клеточных механизмов, ответственных за разные скорости сортировки ДНК органелл у растений, и роли MSH1 в этом процессе (совместно с Университетом Бергена в Норвегии). Также они изучат, оказывает ли MSH1 такое же влияние на сортировку митохондриальной ДНК у других типов растений, например, у деревьев с иными паттернами развития.