Ученым удалось проследить процесс отбора митохондрий
в клетках мышей. Выяснилось, что организм высшего животного
способен очень отлично избавляться от мутантных
митохондрий: они исчезают уже через 2–6 поколений. Эти данные
молвят о том, что отбор обыденных митохондрий происходит не
способом элиминации целых организмов с пониженной
приспособленностью, а на уровне ооцитов (дамских половых
Ученым удалось проследить процесс отбора митохондрий
в клетках мышей. Выяснилось, что организм высшего животного
способен очень отлично избавляться от мутантных
митохондрий: они исчезают уже через 2–6 поколений. Эти данные
молвят о том, что отбор обыденных митохондрий происходит не
способом элиминации целых организмов с пониженной
приспособленностью, а на уровне ооцитов (дамских половых
клеток) или на субклеточном уровне.
Вероятнее всего, механизм стабилизирующего отбора митохондрий происходит на уровне взаимодействия компонент эукариотической клетки. При всем этом темпы стабилизирующего отбора генов тРНК митохондрий и генов, кодирующих белки, оказалась различными. Предполагается также различный механизм стабилизирующего отбора для генов белков и тРНК.
Сейчас уже стала принятой гипотеза о происхождении эукариотической клетки в конечном итоге симбиоза прокариотических клеток нескольких типов, которой 40 лет назад шокировала научную общественность Линн Маргулис (Lynn Margulis). Биологи на данный момент задают вопросы не о вероятности этой гипотезы, а о путях эволюции отдельных компонент этой симбиотической системы.
Более вероятным предком митохондрий на сей день числятся свободноживущие протеобактерии. После слияния с клеткой-хозяином протеобактерии взяли на себя функции энергоснабжения клетки, а другие функции оставили другим клеточным элементам. В конечном итоге митохондрии отказались от рекомбинации (обмена генами с себе похожими), оставив себе очень урезанный геном. Большему сокращению подвергся митохондриальный геном у животных. В нем содержится только информация о некоторых ферментах, обслуживающих окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание), также гены некоторых функциональных РНК (транспортных, рибосомальных).
Понятно, что от правильной работы генов митохондрий зависит жизнеспособность клетки. Стоит одному из ферментов приобрести вредную мутацию, как энергоснабжение клетки нарушится. У митохондрий, лишенных спасительной рекомбинации, нет возможности избавиться от мутаций способом обмена генами с другими, «здоровыми» митохондриями. Можно было бы представить, что митохондрии — очень неизменные системы, и скорость мутирования в их очень мала. Но, необыкновенное дело, оказалось, что скорость мутирования в митохондриальном геноме даже выше, чем в ядерном. Теоретически ясно, что клетка как-то избавляется от мутантных митохондрий, каким-то образом работает стабилизирующий (очищающий) отбор, отсеивающий вредные мутации. Но как он работает?
Нужно отлично обдумывать, что отбор может работать не так прямолинейно, как это представляется в учебных схемах: появилась вредная мутация, как надо рождается маложизнеспособная особь, она не оставляет потомства, и в конечном итоге мутация элиминируется. Таким способом высшие организмы не смогли бы освободиться от всех мутаций, массово возникающих в митохондриальных поколениях. В случае с митохондриями отбор ведется по многим иерархическим ступеням. Представим себе иерархические уровни передачи митохондрий потомству: мутация появляется в митохондриях, а в клетке много митохондрий, и не все они обязательно несут мутации; у самки много ооцитов, и не в каждом из их имеются мутантные митохондрии; и, в конце концов, в популяции неограниченное количество самок, и не у каждой из их имеются ооциты с мутантными митохондриями.
На каждом из этих иерархических уровней может происходить отбор обыденных, живучих митохондрий. Джеймс Стюарт (James Bruce Stewart) с сотрудниками с факультета лабораторной медицины Каролинского института в Стокгольме (Швеция) и Лаборатории исследования митохондрий в Институте Ньюкасла (Великобритания) провели опыт, доказывающий, что отбор обыденных митохондрий происходит не на организменном, а на клеточном или субклеточном уровне.
Экспериментаторы работали с мышами, которые несли мутацию в гене митохондриальной ДНК-полимеразы, так называемой полимеразы &豫. Гамма-полимераза отвечает за репликацию ДНК в митохондриях, и если этот белок с недочетом, то при копировании ДНК в генах митохондрий будет получаться неограниченное количество ошибок. В конечном итоге функция митохондрий — клеточное дыхание — будет выполняться неэффективно. Ген гамма-полимеразы расположен не в митохондриальном геноме, а в центральном (ядерном).
В процессе опыта была выведена линия мышей, гомозиготных по мутации в этом гене. У таких мышек были признаки митохондриальных болезней: они ранее старились. Гомозиготных самок скрестили с нормальными самцами и получили потомство, гетерозиготное по мутации гена гамма-полимеразы (одна копия гена мутантная, другая рядовая). Митохондрии у этих мышей содержали неограниченное количество мутаций, унаследованных от матери (напомним, что митохондрии наследуются только по женской полосы).
Скрещивая гетерозигот совместно, исследователи получили 2-ое поколение с обычным расщеплением 1:2:1 по мутации гамма-полимеразы (25% мышей с 2-мя нормальными копиями гена, 50% гетерозигот и 25% мышей с 2-мя мутантными копиями гена). Из этого поколения экспериментаторы отобрали самок, не несущих мутантного гена гамма-полимеразы, зато унаследовавших от мутантной бабушки митохондриальные ДНК с вредными мутациями.
Этих самок позже скрещивали с нормальными самцами: получили следующее поколение, позже еще одно и еще, и так получили 6 последовательных поколений. Все эти мышки несли обыденный ядерный ген, но наследовали по материнской полосы испорченные митохондриальные ДНК. В каждом поколении были отсеквенированы мтДНК и подсчитано число нуклеотидных замен. Ученым принципно было оценить, с какой скоростью в ряду поколений снижается количество мутантных митохондриальных генов. Для этого использовали стандартный показатель соотношения принципиальных и незначимых нуклеотидных замен и узнали, как это соотношение отличается от случайного. (Здесь я уточню, что необходимыми числятся те нуклеотидные замены, которые ведут к замене аминокислоты в кодируемом белке. По соотношению принципиальных и незначимых замен можно судить об эффективности очищающего отбора, который должен отбраковывать принципиальные замены и не обращать внимания на незначимые.)
Выяснилось, что к шестому поколению мышей мутантных митохондрий со необходимыми заменами фактически не осталось. Другими словами, отбор митохондрий на соответствие высокому энергетическому образцу происходит очень быстро. И ведется он, судя по скорости исчезновения вредных мутаций, не по признаку приспособленности целого организма, а на более низких уровнях организации на субклеточном уровне или на уровне ооцитов. Другими словами организм каким-то образом очень быстро справляется с ошибками в размножении митохондрий, выдавая в конечном итоге освобожденные от мутаций поколения митохондрий.
В работе не показан механизм этой очистки, но зато ясно продемонстрировано явление иерархичности отбора. Это явление принципно и с теоретической, и с практической позиций. Разработка модели иерархического отбора принципна для понимания эволюции симбиотических организмов, а в мире, как на данный момент становится ясно, очень мало организмов, не имеющих симбионтов. Меж тем классические модели отбора эксплуатируют характеристики приспособленности целого организма, другими словами учитывают только один иерархический уровень.
С практической точки зрения понимание того, как происходит избавление от мутантных митохондриальных генов, должно помочь в поиске способов исцеления митохондриальных болезней. У человека, так же как и у мышей, около 58% митохондриальных болезней вызваны мутациями в митохондриальных генах, кодирующих транспортные РНК (тРНК). При всем этом, чтобы проявилась болезнь, уровень мутантных митохондрий должен стать довольно высоким. Проведенный опыт показал, что механизм очищающего отбора, по-видимому, работает по-разному для генов белков и тРНК. Нужно выделить, что в опыте уровень мутаций в генах тРНК остался высоким, другими словами быстрый и действующий очищающий отбор работал только для генов, кодирующих белки. В чём здесь разница? Почему отбор перестает работать, когда дело касается тРНК?
Замечу, что по данной теме в Москве, в Институте заморочек передачи инфы РАН и МГУ ведутся очень достойные внимания проекты. А конкретно, столичным биологам под управлением М. С. Гельфанда удалось сравнить эффективность избавления от мутаций у митохондрий и протеобактерий, предки которых стали некогда симбионтами-митохондриями. Они пришли к неожиданному заключению, что у митохондрий, несмотря на полное отсутствие рекомбинации и сопоставимо низкую численность «популяций», эффективность элиминации мутаций очень высока, еще выше, чем у свободноживущих аналогов или у облигатных паразитических протеобактерий. Видимо, дело тут в каких-то взаимодействиях в границах эукариотической клетки. В общем, исследователям еще предстоит большая работа и новые открытия.
Источники : 1) James Bruce Stewart, Christoph Freyer, Joanna L. Elson, Anna Wredenberg, Zekiye Cansu, Aleksandra Trifunovic, Nils-G&覮ran Larsson. Strong Purifying Selection in Transmission of Mammalian Mitochondrial DNA // PLoS Biology6(1): e10 doi:10.1371/journal.pbio.0060010. 2) David M. Rand. Mitigating Mutational Meltdown in Mammalian Mitochondria // PLoS Biology6(2): e35 doi:10.1371/journal.pbio.0060035 — полупопулярное изложение статьи Стюарта с сотрудниками с кое-какими личными обобщениями. (Елена Наймарк www.elementy.ru )
