В 1960-х годах ученые обнаружили, что одна из органелл нашей клетки содержит ДНК. Это была совершенно умопомрачительная новость, что ДНК может находиться где-либо еще в наших клетках, кроме ядра. В ядре находится наш геном, которых состоит из хромосом, а хромосомы из генов и все это зовется ДНК. Спустя десятилетие Линн Маргулис опубликовала книгу "Происхождение эукариотических клеток", в которой предположила, что митохондрии и пластиды (хлоропласты) произошли от свободноживущих бактерий путем симбиоза внутри эукариотической клетки-хозяина.
Если вкратце, ученые предположили, что около 1,45 млрд. лет назад более крупная клетка с ядром вступила в симбиотические отношения с протеобактерией, со временем протеобактерия потеряла большинство своих генов и стала зависимой от хозяина, превратившись в митохондрию. Затем другая бактерия - цианобактерия вступила в симбиотические отношения с этой же клеткой, уже имевшей митохондрии, так же потеряла часть своих генов. Позже она превратилась в хлоропласт, и так появилась растительная клетка. Эта теория получила название теории эндосимбиоза.
Существует множество доказательств, подтверждающих эту теорию. Прежде всего, ДНК митохондрий и хлоропластов кольцевая, как и ДНК бактерий, в ней также отсутствуют гистоны - белки, вокруг которых ДНК сворачивается для экономии места. Наша ДНК намотана на эти гистоны. Кроме того, синтез белков, кодируемых в митохондриях и хлоропластах, начинается с формилметионина - та же аминокислота используется бактериями для начала синтеза белка. Наша собственная ДНК использует метионин в качестве первой кислоты. Митохондрии также могут самостоятельно размножаться!
Более внушительными доказательствами являются нуклеотидные последовательности ДНК в митохондриях и хлоропластах. Митохондриальная ДНК (мтДНК) сходна у всех организмов, имеющих митохондрии. Секвенирование показало, что митохондрии являются близкими родственниками протеобактерий, которые существуют до сих пор. Современный близкий родственник митохондрий - паразитические бактерии из родов Rickettsia, Anaplasma, Ehrlichia и Wolbachia. Тот случай, когда симбиотические отношения перерастают в абьюзивные.
У человека митохондрия имеет небольшой набор из 37 генов, которые кодируют 13 белков. Основное назначение этих белков - участие в синтезе АТФ, поскольку, как мы все знаем, митохондрия - это электростанция наших клеток. Остальные гены, необходимые митохондриям, кодируются нашими кормосомами. Теперь известно, что мтДНК со временем перемещается в ядро и внедряется в наши гены. Эти фрагменты ДНК были вставлены в некодирующие области нашей ДНК и те фрагменты что переместились у наших предков можно найти и по сей день в нашей собственной ДНК.
Недавно с помощью полногеномного секвенирования (WGS) были обнаружены сверхредкие мтДНК в геноме у человека, что означает, что процесс переноса мтДНК в ядро продолжается до сих пор! Это может быть серьезной проблемой, поскольку новые вторжения мтДНК в наш геном могут иметь печальные последствия. Они могут нарушать работу генов, кодирующих белки, и вызывать такие заболевания как рак! Это относительно новое открытие открывает новую концепцию в современной биологии.
Один из постулатов биологии гласит, что митохондрии наследуются исключительно от матери, поскольку сперматозоиды не несут практически ничего, кроме отцовской ДНК. Клетка материнской яйцеклетки содержит все органеллы и большое количество митохондрий, поскольку после оплодотворения вновь образовавшейся жизни потребуется много энергии для роста. Значит, ей потребуется много АТФ и митохондрии - электростанций, их производящие.
Но, согласно новым данным, в мужских и женских клетках ДНК митохондрий действительно мигрирует в ядро, а также в клетках зародышевой линии. Целиком митохондрии не могут быть унаследованы от отца, но отцовская ДНК из митохондрий может. Ученый подсчитал, что миграция мтДНК успешна, то есть остается в ДНК, примерно один раз на каждые 10^4 родов, а вклинивания в соматических клетках - один раз на каждые 10^3 раковых заболеваний. Приблизительно менее чем у 1 из 1000 человек происходит уникальная новая вставка из митохондрии в ДНК.
Другая проблема, помимо того, что мтДНК вызывает у человека рак, массовый перенос фрагментов мтДНК в геном неизбежно приведет к увеличению размера генома человека. В половых клетках мтДНК вставляется в ДНК рядом с определенным местом PRDM9, местом возникновения очагов рекомбинации во время мейоза. Это означает, что мтДНК может быть вырезана до того, как клетка разделится и образует сперматозоид или яйцеклетку. Сразу же ученые предположили, что мтДНК используется в клетке в качестве пластыря при разрывах ДНК в ядре. Они подсчитали, что вставка мтДНК успешно передается дальше через каждые 4000 родов, когда процесс вырезания по тем или иным причинам не произошел.
Таким образом, вставка мтДНК может иметь как отрицательный, так и положительный эффект. Если бы она была полностью отрицательной, то эволюция уже давно бы вычеркнула этот механизм, но он все еще существует. Так что это может быть скорее преимуществом для выживания вида, чем недостатком.
Остается один вопрос. Как мтДНК попадает в ядро? Это высокоприоритетная, строго охраняемая закрытая среда, которая не позволяет никому проникнуть в центр принятия решений клетки. По одной из гипотез, когда мтДНК по каким-то причинам повреждается внутри митокоднрии, происходит утечка РНК в цитоплазму. Для устранения беспорядка формируются специальные макропоры, разрушающие неисправные митохондрии, через которые мтДНК может просочиться в цитозоль и попасть в ядро.
Источники:
https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/serial-endosymbiotic-theory
Gray MW. Mitochondrial evolution. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012;4(9):a011403. Published 2012 Sep 1. doi:10.1101/cshperspect.a011403
McArthur K, Whitehead LW, Heddleston JM, et al. BAK/BAX macropores facilitate mitochondrial herniation and mtDNA efflux during apoptosis. Science. 2018;359(6378):eaao6047. doi:10.1126/science.aao6047
Tigano, Marco, et al. "Nuclear sensing of breaks in mitochondrial DNA enhances immune surveillance." Nature 591.7850 (2021): 477-481.
Wei, W., Schon, K.R., Elgar, G. et al. Nuclear-embedded mitochondrial DNA sequences in 66,083 human genomes. Nature 611, 105–114 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05288-7
Предыдущая статья: Как лучший друг человека влияет на твоего ребенка
