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

Ученым удалось проследить процесс отбора митохондрий в клетках мышей. Выяснилось, что организм высшего животного способен чрезвычайно эффективно избавляться от мутантных митохондрий: они исчезают уже через 2–6 поколений. Эти данные говорят о том, что отбор нормальных митохондрий происходит не путем элиминации целых организмов с пониженной приспособленностью, а на уровне ооцитов (женских половых клеток) или на субклеточном уровне.

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.

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 коллегами с кое-какими частными обобщениями.
(Елена Наймарк  www.elementy.ru
)

Ещё в разделе

Клетки тоже страдают от "вредной" зависимости

"Зависимость" клеток от определенного фактора роста делает немалый вклад в развитие рака, вызванного эпигенетическими изменениями, такими как несоответствующая активация нефункционирующего гена, утверждают ученые.

Древний организм прототаксит (Prototаxites) оказался шестиметровым грибом

Химический анализ окаменелостей древнего шестиметрового живого организма с древоподобным стволом показал, что это гриб, сообщает New Scientist. Долгое время учёные считали прототаксит Prototаxites) хвойным деревом.

Женщины смогут сами вырабатывать сперму

В будущем женщины, возможно, смогут самостоятельно производить сперму, заявляет профессор Карим Нейерния из Института клетки Северовосточной Англии в Ньюкасле-на-Тайне. Он утверждает, что ему удалось создать клетки спермы ранней стадии развития из клеток

Американцы нашли «ахиллесову пяту» вируса иммунодефицита

Ученые обнаружили в постоянно меняющейся оболочке вируса иммунодефицита человека слабое звено – фрагмент с неизменной структурой и свойствами. Открытие может существенно ускорить работы над созданием вакцины против ВИЧ.

В Японии нашли способ остановить размножение туберкулезных бактерий

Японские ученые заявили о том, что им удалось выделить фермент, прекращающий размножение туберкулезных бактерий Mycobacterium tuberculosis. Это открытие может расширить возможности по борьбе с трудноизлечимой болезнью, поражающей прежде всего населени

Открыта полезная роль «вредных» активных форм кислорода

Активные формы кислорода (АФК), такие как супероксид-анион, считаются очень вредными, поскольку они повреждают белки, липиды и ДНК, приводя к старению клеток. АФК образуются как побочный продукт клеточного дыхания, которое происходит в митохондриях. Однак

Новое исследование позволит разработать лекарство от опасной геморрагической лихорадки

Новое исследование позволит разработать лекарство от опасной геморрагической лихорадки

Открытие сотрудников Университета Южной Калифорнии (USC) может привести к созданию вакцины для лечения и профилактики геморрагической лихорадки, которую разносят клещи.

Нематоды стали источником нового класса антибиотиков

Нематоды стали источником нового класса антибиотиков

Международная группа ученых, в состав которой вошли представители из Америки и Франции, объявила о создании нового класса антибиотиков с названием «одилорабдины». Благодаря проведенным испытаниям на мышах удалось подтвердить эффективность лекарства против разных типов бактериальных организмов – грамположительных и грамотрицательных.

У птиц свой, уникальный «компас»

У птиц свой, уникальный «компас»

Как известно, птицы ориентируются по магнитному полю планеты, что в свою очередь помогает им в дальних перелетах. Длительное время было принято считать, что в данном случае большую роль играет наличие большого количества соединений железа, содержащегося в клетках у основания клюва. Но уже в последние годы находится все больше доказательств того, что дело совсем не этом, а в уникальном типе белков, которые вырабатываются в клетках некоторых тканей глаза.

Неужели половые клетки еще полностью не изучены?

Неужели половые клетки еще полностью не изучены?

Группа американо-шведских ученых обнаружила новые структуры спиралевидной формы в составе микротрубочек, входящих в состав жгутика сперматозоида. Ранее неизвестные структуры получили название TAILS. Исследователям пока что неизвестно в чем предназначение вышеупомянутых структур, но есть предположение, что именно они помогают контролировать направление движения сперматозоида.

В организме брюхоногих нашли анальгетик

В организме брюхоногих нашли анальгетик

Американские исследователи из Университета Юты выяснили, что в организме морских улиток содержится соединение Rg1A. Данное соединение может заменить опиоиды в качестве обезболивающего средства. Более того, эксперименты, которые были проведены на грызунах показали, что эффект сохраняется на протяжении трех суток.

В желудке могут образоваться психоактивные вещества

В желудке могут образоваться психоактивные вещества

Американские ученые обнаружили, что каннабидиол (КБД), который не обладает психоактивными качествами, в случае употребления способен превращаться в тетрагидроканнабинол. Это дает четкие объяснения, почему у детей, принимавших КБД для лечения эпилепсии, наблюдались побочные эффекты.

Иммунная система может не только помогать организму

Иммунная система может не только помогать организму

Команда ученых из Ноттингемского университета выяснила, что тяжелые грибковые инфекции, которые спровоцированы плесенью Aspergillus terreus, могут использовать клетки человеческой иммунной системы для распространения по организму, что в конечном итоге становится причиной системного заболевания.

Теперь загар будут получать при помощи половых гормонов

Теперь загар будут получать при помощи половых гормонов

Последнее исследование ученых показало, что пигментация кожи регулируется при посредстве эстрогена и прогестерона, которые являются важнейшими женскими половыми гормонами.

Как акулы видят друг друга

Как акулы видят друг друга

Ученые решили узнать, как акулы видят друг друга, но чтобы достигнуть своей цели, им пришлось сконструировать специальную видеокамеру, которая способна показывать мир глазами вышеупомянутых хищников.

Грудное молоко – зачем оно ребенку

Грудное молоко – зачем оно ребенку

Ученые из Цюрихского института физиологии опубликовали доклад о том, что по их мнению грудное молоко человека может быть самым сложным по своему составу среди всех млекопитающих. Результаты эксперимента показали, что оно содержит более 200 разных сахаров, а это в свою очередь, значительно превышает их количество в молоке коров.

Оценка:

Пока комментариев нет