Новые идеи могут помочь раскрыть ключевые секреты защиты митохондрий.
Животные и растения готовят свои клетки к соитию совершенно разными способами - но никто не знает почему. Команда британских исследователей теперь думает, что она разгадала головоломку.
Люди и животные готовятся к размножению задолго до того, как это произойдет. На самых ранних этапах жизни, в эмбрионе, начинают развиваться наши зародышевые клетки. Это клетки, которые будут продолжать формировать сперму и яйцеклетку, с половиной обычного количества хромосом. У самок яйцеклетки откладываются и находятся в задержанном развитии до тех пор, пока они не понадобятся. После достижения половой зрелости самцы производят сперму непрерывно в течение всей жизни, но на ранней стадии создается специализированная зародышевая линия, из которой производится сперматозоид.
Но кораллы, губки и растения не производят таких клеточных планов. Изначально они развивают только телесные (соматические) клетки, каждая из которых имеет полный набор хромосом. Когда приходит время спаривания, они вырабатывают свои половые клетки, или гаметы, по мере необходимости, формируя их из стволовых клеток из тканей взрослого человека.
В чем разница? По словам биохимика Ника Лейна из Университетского колледжа Лондона, более сложные животные создают преданную зародышевую линию, чтобы сохранить качество своих митохондрий - специализированных энергопроизводящих структур в клетках, которые сидят вне ядра и имеют свои собственные гены.
Мутационный запрос
В математической модели Лэйн и его коллеги изложили свои аргументы. По мнению команды, проблема для человека и других сложных животных заключается в том, что если бы взрослым клеткам разрешили многократно делиться в растущем организме до того, как некоторые из них превратились в гаметы, то их митохондрии быстро накапливали бы генетические мутации и погрешности. Некоторые гаметы могли бы приобретать высокую нагрузку этих мутировавших митохондрий, что приводило бы к некачественным тканям в потомстве. Производство всех яйцеклеток, необходимых на ранней стадии, позволяет избежать этой проблемы.
Идея "защиты" митохондриальной ДНК в тихих яйцах была предложена ранее. Но есть проблема с этой картиной: некоторые мутации полезны для наших митохондрий. Мутация является двигателем эволюции, позволяя создавать выгодные генотипы митохондрий. Поэтому гаметы, сделанные из многократно реплицированных взрослых клеток, могут иметь полезную вариацию. Эволюция может сохранить "хорошие" мутации и устранить "плохие", в конечном счете, улучшение качества митохондрий.
Существует тонкий баланс между преимуществами и недостатками зародышевой линии. Как получить достаточно вариаций между гаметами для того, чтобы эволюция могла действовать, не создавая мутаций, которые могут повредить организм, созданный из этих гамет?
Эволюционная игра
Модель, разработанная Лейном и его коллегами, представленная в PLoS Biology, предлагает потенциальное объяснение того, почему различные организмы находят различные компромиссы.
У более сложных животных частота ошибок при репликации митохондриальных генов относительно высока. В этом случае лучшим решением является ограниченная вспышка деления клеток для формирования женских предшественников гаметы, что дает гораздо больше зародышевых клеток, чем необходимо, а затем отбраковывать большинство из них для получения случайной выборки вариантов. Этот процесс, называемый атрезией, встречается у многих организмов, в том числе и у человека, но его функции озадачивали ученых.
После получения красиво разнообразной популяции женских гамет, дальнейшее деление останавливается, чтобы не рисковать накоплением слишком большого количества митохондриальных мутаций на более поздних стадиях развития. Такие мутации действительно накапливаются в сперме, которая проходит гораздо больше циклов деления клеток, чем яйцеклетки. Но это не имеет значения, потому что их митохондрии сбрасываются при оплодотворении яйцеклетки, и поэтому не передаются следующему поколению.
Но у растений и "базальных" животных, таких как кораллы и губки, погрешность в репликации митохондриальных генов довольно низкая. В этом случае меньше необходимости избегать репликации митохондриальных генов, поэтому гаметы формируются на более поздних стадиях развития, пожиная плоды генетической изменчивости, не рискуя при этом низкокачественными митохондриями.
До сих пор остается загадкой, почему разница в частоте ошибок при репликации существует в первую очередь. Это может быть потому, что изменения в стратегии кормления, как ранние животные диверсифицированы - от фильтрования кормления до мобильного хищничества - привело к увеличению аэробной активности, требующей больше кислорода и, следовательно, необходимость упаковки большего количества митохондрий в клетку, что увеличивает ошибку репликации.
Трудности тестирования
Новая работа -
"вызывающее размышления исследование",
- говорит биоматематик Бирмингемского университета (Великобритания) Иэн Джонстон.
"Их дело правдоподобно и довольно изобретательно".
Но он указывает на то, что ошибочность репликации митохондриальной ДНК, даже внутри вида, не является заданной - она тоже может меняться под избирательным давлением.
Модель объясняет несколько различных аспектов полового размножения, говорит Лейн, но тестирование будет сложным.
"Нет никакого возможного эксперимента, который мог бы дать представление о таком широком охвате естественной истории",
- говорит он.
"Только теория и моделирование имеют потенциал для этого".
Джонстон, однако, говорит, что модель частично поддается тестированию и, по крайней мере, фальсифицирована.
"Обнаружение организма с высокой частотой ошибок при копировании, который не захватил зародышевую линию, или организма с низкой частотой ошибок, который имел, предоставило бы доказательства против теории",
- говорит он.
Лейн добавляет, что с помощью модели также должна быть возможность генерировать предсказания о связи между атрезией и митохондриальной дисперсией между гаметами. Эти предсказания затем можно было бы проверить по данным, полученным от реальных организмов.
