Стабилизирующий отбор у млекопитающих справляется с мутациями в митохондриях всего за два поколения

Вероятнее всего, механизм стабилизирующего отбора митохондрий происходит на уровне взаимодействия компонентов эукариотической клетки. При 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 общепринятой гипотеза о происхождении эукариотической клетки в результате симбиоза прокариотических клеток нескольких типов, которой 40 лет назад шокировала научную общественность Линн Маргулис (Lynn Margulis). Биологи теперь задают вопросы не о вероятности этой гипотезы, а о путях эволюции отдельных компонентов этой симбиотической системы.

Наиболее вероятным предком митохондрий на сегодняшний день считаются свободноживущие протеобактерии. После слияния с клеткой-хозяином протеобактерии взяли на себя функции энергоснабжения клетки, а другие функции оставили другим клеточным элементам. В результате митохондрии отказались от рекомбинации (обмена генами с себе подобными), оставив себе сильно урезанный геном. Наибольшему сокращению подвергся митохондриальный геном у животных. В нем содержится только информация о некоторых ферментах, обслуживающих окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание), а 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 путем обмена генами с другими, «здоровыми» митохондриями. Можно было бы предположить, что митохондрии — чрезвычайно стабильные системы, и скорость мутирования в них крайне мала. Однако, удивительное 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 хорошо понимать, что отбор может работать не столь прямолинейно, как это представляется в учебных схемах: появилась вредная мутация, следовательно рождается маложизнеспособная особь, она не оставляет потомства, и в результате мутация элиминируется. Таким путем 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 них имеются мутантные митохондрии; и, наконец, в популяции множество самок, и не у каждой из них имеются ооциты с мутантными митохондриями.

На каждом из этих иерархических уровней может происходить отбор нормальных, жизнеспособных митохондрий. Джеймс Стюарт (James Bruce Stewart) с коллегами с факультета лабораторной медицины Каролинского института в Стокгольме (Швеция) и Лаборатории исследования митохондрий в Университете Ньюкасла (Великобритания) провели эксперимент, доказывающий, что отбор нормальных 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 изъяном, то при копировании ДНК в генах митохондрий будет получаться множество ошибок. В результате функция митохондрий — клеточное дыхание — будет выполняться неэффективно. Ген гамма-полимеразы расположен не в митохондриальном геноме, а в центральном (ядерном).

В ходе эксперимента была выведена линия мышей, гомозиготных по мутации в этом гене. У таких мышек были признаки митохондриальных болезней: они раньше старились. Гомозиготных самок скрестили с нормальными самцами и получили потомство, гетерозиготное по мутации гена гамма-полимеразы (одна копия гена мутантная, другая — нормальная). Митохондрии у этих мышей содержали множество мутаций, унаследованных от матери (напомним, что митохондрии наследуются исключительно по женской линии).

Скрещивая гетерозигот друг с другом, исследователи получили второе поколение с классическим расщеплением 1:2:1 по мутации гамма-полимеразы (25% мышей с двумя нормальными копиями гена, 50% гетерозигот и 25% мышей с двумя 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 затем скрещивали с нормальными самцами: получили следующее поколение, затем еще одно и еще, и так получили 6 последовательных поколений. Все эти мышки несли нормальный ядерный ген, но наследовали по материнской линии испорченные митохондриальные ДНК. В каждом поколении были отсеквенированы мтДНК и подсчитано число нуклеотидных замен. Ученым важно было оценить, с какой скоростью в ряду поколений снижается количество мутантных митохондриальных генов. Для этого использовали стандартный показатель соотношения значимых и незначимых нуклеотидных замен и выяснили, насколько это соотношение отличается от случайного. (Здесь я уточню, что значимыми считаются те нуклеотидные замены, которые ведут к замене аминокислоты в кодируемом белке. По соотношению значимых и незначимых замен можно судить об эффективности очищающего отбора, который должен отбраковывать значимые замены и не обращать внимания на незначимые.)

Выяснилось, что к шестому поколению мышей мутантных митохондрий со значимыми заменами почти не осталось. Иными словами, отбор митохондрий на соответствие высокому энергетическому стандарту 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. То есть 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 важно и с теоретической, и с практической позиций. Разработка модели иерархического отбора важна для понимания эволюции симбиотических организмов, а в мире, как теперь становится ясно, очень мало организмов, не имеющих симбионтов. Между тем классические модели отбора эксплуатируют характеристики приспособленности целого организма, то есть учитывают только один иерархический уровень.

С практической точки зрения понимание того, как происходит избавление от мутантных митохондриальных генов, должно помочь в поиске способов лечения митохондриальных болезней. У человека, так же как и у мышей, около 58% митохондриальных болезней вызваны мутациями в митохондриальных генах, кодирующих транспортные РНК (тРНК). При этом, чтобы проявилась болезнь, уровень мутантных митохондрий должен стать довольно высоким. Проведенный эксперимент показал, что механизм очищающего отбора, по-видимому, работает по-разному для генов белков и тРНК. Нужно подчеркнуть, что в эксперименте уровень мутаций в генах тРНК остался высоким, то есть быстрый и эффективный очищающий отбор работал только для генов, кодирующих белки. В чём здесь разница? Почему отбор перестает работать, когда дело касается тРНК?

Замечу, что по этой тематике в Москве, в Институте проблем передачи информации РАН и МГУ ведутся чрезвычайно интересные проекты. В частности, московским биологам под руководством 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 сравнительно низкую численность «популяций», эффективность элиминации мутаций чрезвычайно высока, гораздо выше, чем у свободноживущих аналогов или у облигатных паразитических протеобактерий. Видимо, дело тут в каких-то взаимодействиях в пределах эукариотической клетки. В общем, исследователям еще предстоит большая работа и новые открытия.