Митохондриальный геном — очень популярный инструмент для изучения эволюции живых организмов. Имеется много исследований, посвященных теме естественного отбора внутри митохондрий, в то время как мутационные процессы в митохондриальной ДНК (мтДНК) изучены не так глубоко, как в ядерной ДНК (яДНК). Известно только то, что различия между мутагенезом мтДНК и яДНК значительные.
Мутационные подписи, обнаруженные в ядерной ДНК, не обнаруживаются в митохондриальной, к примеру, такие как подписи табачного дыма и ультрафиолетового излучения. Даже хорошо изученная мутационная подпись окислительного стресса G > T (COSMIC signature 18) не обнаруживается в митохондриях, несмотря на то, что он перманентно испытывает действие активных форм кислорода.
«В связи с этим мы решили проанализировать мутационные спектры мтДНК в тысяче видах позвоночных, включая человека, и найти специфические мутационные подписи митохондрий», — рассказала об исследовании младший научный сотрудник Центра геномных исследований Алина Михайлова.
Во-первых, для получения мутационных спектров позвоночных исследователи собрали базу данных всех доступных последовательностей митохондриальной ДНК (из базы данных NCBI GenBank) и реконструировали внутривидовые филогенетические деревья. Ученые обнаружили 12 типов мутаций — замены одного нуклеотида на один из трех остальных (рис.1).
«Далее, сравнив мутационные спектры млекопитающих, мы обнаружили, что замена AH>GH на тяжелой цепи мтДНК (именно там, мы предполагаем, происходит интенсивный мутагенез) ассоциирована с большей продолжительностью жизни. Чем дольше живет вид, тем чаще у него в митохондриальном геноме происходит данный тип замен по сравнению с другими. Важно отметить, что мы наблюдали мутационный спектр в синонимичных четырежды вырожденных позициях (любой из четырех нуклеотидов в данной позиции не приводит к изменению аминокислоты), т. е. наиболее нейтральных по отношению к естественному отбору, то есть на данные мутации отбор никоим образом не влияет», — подчеркнула ученый.
Научная команда сделала вывод, что частота замен AH>GH в мтДНК может быть мутационной подписью старения у млекопитающих (рис. 2). Они также выяснили, что мутационный спектр митохондрий может формировать нуклеотидный состав мтДНК в синонимичных четырежды вырожденных позициях. У долгоживущих видов (китов) количество нуклеотида GH больше, чем у короткоживущих (опоссумов), что может быть объяснено увеличенной частотой замен AH>GH. Кроме того, количество нуклеотида AH у долгоживущих видов снижено по сравнению с короткоживущими (рис. 2).
«Чтобы проверить нашу гипотезу о митохондриальной подписи старения мы дополнительно проанализировали данные статьи Sanchez-Contreras et al., использовавших соматические мутации молодых и старых мышей и человека, полученных в результате высокоточного дуплекс-секвенирования. В результате мы обнаружили, что частота замен AH>GH у молодых мышей гораздо ниже, по сравнению со старыми мышами и человеком (рис. 3). Данный результат подтверждает, что замена AH>GH чувствительна к возрасту».
В результате ученые обнаружили, что частота замен AH>GH и нуклеотидный состав мтДНК коррелируют с продолжительностью жизни организмов, которая напрямую связана с метаболизмом, а старение ассоциировано со множеством метаболических изменений в клетках. Мутационные спектры митохондриальной ДНК скорее всего испытывают влияние внутри-митохондриальной среды, где АФК самый главный повреждающий фактор аэробного метаболизма.
«Мы предполагаем, что данная подпись является проявлением оксидативного стресса в митохондриях, что было показано впервые. В целом, мы продемонстрировали, что замены AH>GH зависят от продолжительности жизни и данная зависимость опосредована чувствительностью данного типа замен к оксидативному стрессу в мтДНК (рис. 4)», — заключила Алина Михайлова.