Почему электростанции нашей клетки имеют свою собственную ДНК?

Это одна из больших загадок клеточной биологии. Почему митохондрии - структуры овальной формы, которые питают наши клетки - имеют свою собственную ДНК, и почему они сохранили ее, когда сама клетка имеет много своего генетического материала? Новое исследование, возможно, нашло ответ.

Ученые считают, что митохондрии когда-то были независимыми одноклеточными организмами, пока более миллиарда лет назад их не проглотили более крупные клетки. Вместо того, чтобы перевариваться, они успокаивались и развивали взаимовыгодные отношения, сложившиеся со своими хозяевами, которые в конечном итоге способствовали возникновению более сложной жизни, такой как современные растения и животные.

С годами митохондриальный геном сократился. Ядро теперь содержит подавляющее большинство генетического материала клетки - даже гены, которые помогают функционированию митохондрий. Например, у человека митохондриальный геном содержит всего 37 генов, а у ядра более 20000. Со временем большинство митохондриальных генов прыгнуло в ядро. Но если эти гены мобильны, почему митохондрии вообще сохранили какие-либо гены, особенно учитывая, что мутации в некоторых из этих генов могут вызывать редкие, но очень серьезные заболевания, которые постепенно разрушают мозг, печень, сердца и другие ключевые органы пациента.

Ученые бросили некоторые идеи, но не было точных данных, чтобы выбрать одну из них.

Итак, Йен Джонстон, биолог из Университета Бирмингема в Великобритании, и биолог Бен Уильямс из Института биомедицинских исследований Уайтхеда в Кембридже, штат Массачусетс, смоделировали проблему, впервые математически сравнив различные гипотезы. Они проанализировали более 2000 различных митохондриальных геномов животных, растений, грибов и протистов (например, амеб). Они проследили свой эволюционный путь, создав алгоритм, который вычислял вероятность того, что различные гены и комбинации генов будут потеряны в определенные моменты времени.

«Это один из новаторских аспектов этой работы, в котором используется моделирование, которое обычно не включается в такого рода исследования», - говорит Кит Адамс, биолог из Университета Британской Колумбии, Ванкувер, в Канаде, который не участвовал в исследование.

Митохондрии производят энергию посредством ряда химических реакций, которые пропускают электроны вдоль мембраны. Ключом к этому процессу является ряд белковых комплексов, больших белковых шариков, которые внедряются во внутреннюю мембрану митохондрий. Все остальные гены митохондрий каким-то образом помогают производить энергию. Но команда обнаружила, что ген, скорее всего, останется, если он создаст белок, который является центральным для одного из этих комплексов. В то же время, как сообщает сегодня группа Cell Systems, гены, отвечающие за большее количество производящих энергию периферийных функций, с большей вероятностью были переданы ядру.

«Сохранение этих генов локально в митохондриях дает клетке возможность индивидуально контролировать митохондрии», - говорит Джонстон, потому что в самих митохондриях создаются ключевые белки. Этот локальный контроль означает, что клетка может более быстро и эффективно регулировать выработку энергии от момента к моменту в отдельных митохондриях, вместо того, чтобы вносить радикальные изменения в сотни или тысячи митохондрий, которые она содержит. Например, нестабильная митохондрия может быть исправлена ​​индивидуально, вместо того, чтобы вызывать общий, общеклеточный ответ, который затем может вывести из равновесия что-то еще.

«Это все равно, что реагировать на пожар», - говорит Джон Аллен, биолог из Университетского колледжа Лондона, который не принимал участия в исследовании. Если одна комната в большом здании загорелась, вы не звоните управляющему, чтобы попросить разрешения ее потушить. Вы берете огнетушитель и целитесь.

«Я думаю, что это очень фундаментальный механизм обратной связи», - говорит Аллен. В своем собственном исследовании он нашел доказательства того, что производство определенных митохондриальных белков именно там, где они нужны, помогает клетке лучше регулировать выработку энергии. Другие структуры в наших клетках также могут извлечь выгоду из этого типа местного контроля. Но митохондрии с историей автономных клеток - единственные, у которых есть собственный командный центр.

Модель Джонстона и Уильямса указывает на другие факторы, которые также могут быть важны. Например, гены, которые кодируют митохондриальные белки, которые являются гидрофобными или водоотталкивающими, с большей вероятностью образуются в митохондриях. Если эти белки вырабатываются в другом месте клетки, они иногда могут застрять при транспортировке, поэтому может быть более эффективно производить их в митохондриях.

Химический состав самих генов также может влиять на вероятность того, что они останутся. Гены, которые химически способны противостоять суровым условиям внутри митохондрий, а не разрушаются, могут с большей вероятностью сохраняться.

Джонстон считает, что компьютерная программа, которую он и Уильямс разработали, хороша не только для просеивания митохондриальных геномов. Алгоритм может анализировать любую проблему, когда отдельные черты теряются или приобретаются с течением времени, будь то гены или симптомы заболевания. Он надеется, что модель будет полезна для будущих прогнозов в этом направлении, например, для изучения путей прогрессирования заболевания.