Такие вставки ДНК могут быть связаны с преждевременной смертью.
Будучи прямыми потомками древних бактерий, митохондрии всегда были немного чужеродными. И вот, исследование показало, что митохондрии вероятно ещё чужероднее, чем мы думали.
Митохондрии в клетках нашего мозга часто вбрасывают свою ДНК в ядро, где ДНК становится интегрированной в хромосомы клеток. И эти вставки могут причинять вред: те из 1200 участников исследования, в клетках мозга которых было больше вставок митохондриальной ДНК, имели большую вероятность преждевременной смерти.
«Мы думали, что перенос ДНК от митохондрий в человеческий геном был редким явлением», — говорит Мартин Пикард, митохондриальный психобиолог и адъюнкт-профессор поведенческой медицины в Колледже терапии Вагелоса при Колумбийском университете и Колумбийском центре старения Роберта Н. Батлера. Пикард проводил исследование с Райаном Миллзом из Мичиганского университета.
«Удивительно то, что это, похоже, происходит с человеком несколько раз в жизни», — добавил Пикард. — Мы обнаружили массу таких вставок в различных регионах мозга, но не в клетках крови, что объясняет, почему в десятках более ранних исследований, в которых использовался анализ ДНК крови, этот феномен обнаружить не удавалось».
Митохондриальная ДНК ведёт себя как вирус
Митохондрии живут внутри наших клеток, но, в отличие от других органелл, митохондрии обладают собственной ДНК, небольшой круглой нитью с примерно тремя дюжинами генов. Митохондриальная ДНК — остаток предков органеллы, древних бактерий, поселившихся внутри наших одноклеточных предшественников около 1,5 миллиарда лет назад.
В последние несколько десятилетий исследователи обнаружили, что митохондриальная ДНК иногда «перепрыгивает» из органеллы в хромосомы человека.
«Митохондриальная ДНК ведёт себя подобно вирусу, то есть она пользуется разрывами в геноме, чтобы вставиться в него, или, подобно прыгающим генам, известным как ретротранспозоны, которые перемещаются по геному человека», — говорит Миллз.
Видео создано Верией Пуэрта-Альварадо (Veria Puerta-Alvarado).
Эти вставки называются сегментами ядерной митохондриальной ДНК (nuclear-mitochondrial segments, NUMT – прим. перев.), и они накапливались в наших хромосомах миллионы лет.
«В результате все мы гуляем по свету с сотнями рудиментарных, большей частью доброкачественных сегментов митохондриальной ДНК в хромосомах, унаследованных нами от предков», — говорит Миллз.
Вставки из митохондриальных ДНК распространены в мозге человека
Исследования лишь за последние несколько лет показывают, что «NUMTогенез» происходит по сей день.
«Прыгающая митохондриальная ДНК — это не то, что происходило только в далёком прошлом», — говорит Калпита Каран, постдок из лаборатории Пикарда, проводивший исследование вместе с Вейченом Джоу, исследователем из лаборатории Миллза. — Это редкое явление, но новая NUMT интегрируется в человеческий геном примерно один раз на 4000 рождений. Это один из многих полученных человеком от дрожжей способов, используемых митохондриями для связи с ядерными генами».
Осознание того, что новые унаследованные NUMT всё ещё воспроизводятся, заставило Пикарда и Миллза задуматься о том, могут ли NUMT также возникать в клетках мозга в течение нашей жизни.
«Унаследованные NUMT в большинстве своём доброкачественные, вероятно потому, что они появляются на ранней стадии развития и вредоносные варианты вычищаются», — говорит Джоу. Но если кусочек митохондриальной ДНК вставляется внутрь гена или регулирующего участка, это может иметь серьёзные последствия для здоровья и продолжительности жизни человека. Нейроны могут быть особенно чувствительны к причиняемым NUMT повреждениям, поскольку когда нейрон повреждён, мозг как правило не создаёт новую нервную клетку взамен прежней.
С целью исследовать влияние новых NUMT в мозге, исследователи сотрудничали с Хансом Кляйном, адъюнкт-профессором Центра трансляционной и вычислительной нейроиммунологии Колумбийского университета, который имел доступ к последовательностям ДНК участников исследования старения ROSMAP (проведённого Дэвидом Беннеттом из Университета Раша). Исследователи искали NUMT в различных участках мозга, используя банк образцов тканей более чем 1000 престарелых пациентов.
Их анализ показал, что в мозге человека происходят ядерные вставки митохондриальной ДНК, особенно в префронтальной коре, и что они, вероятно, происходят несколько раз в течение человеческой жизни.
Они также обнаружили, что люди с большим количеством NUMT в префронтальной коре умирали раньше тех, у кого было меньше NUMT. «Это впервые даёт возможность предположить, что NUMT могут иметь функциональные последствия и, возможно, влиять на продолжительность жизни», — говорит Пикард. — Накопление NUMT можно добавить к списку механизмов нестабильности генома, способных влиять на старение, снижение функциональных способностей и продолжительность жизни».
Стресс ускоряет NUMTогенез.
Что является причиной NUMT в мозге и почему в некоторых участках они накапливаются больше, чем в других?
Чтобы получить какое-либо понятие об этом, учёные рассмотрели популяцию клеток человеческой кожи, которые могут культивироваться и состариваться в чашке (чашке Петри — прим. перев.) в течение нескольких месяцев, что позволяет провести продольные исследования «продолжительности жизни».
В этих культивируемых клетках за месяц постепенно накапливались несколько NUMT, и когда митохондрии этих клеток от стресса становились нефункциональными, клетки накапливали NUMT в четыре-пять раз быстрее.
«Это демонстрирует новый способ, с помощью которого стресс может влиять на биологию наших клеток», — говорит Каран. — Стресс заставляет митохондрии высвобождать кусочки своей ДНК, и эти клетки способны «инфицировать» ядерный геном», — добавил Джоу. Это ещё один способ формирования митохондриями нашего здоровья помимо производства энергии.
«Митохондрии — это клеточные процессоры и мощная сигнальная платформа», — говорит Пикард. — Мы знаем, что они могут контролировать то, какие гены включаются или выключаются. Теперь мы знаем, что митохондрии способны изменять саму последовательность ДНК».
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Медицинским центром Ирвинга Колумбийского университета.
Вам также может быть интересно:
