Митохондрии необходимы для жизни, потому что они стимулируют биохимические реакции клетки, но они делают много ошибок, то есть их геномы делают то же самое. Митохондриальные геномы человека, как известно, подвержены мутациям, поэтому так много генетических заболеваний – от сахарного диабета до митохондриальной миопатии – связаны с неисправными генами в этой органелле.
Стремясь понять, почему митохондриальные геномы человека так сильно портятся, биолог из Университета штата Колорадо Дэн Слоан считает, что нам есть чему поучиться у наших очень далеких эволюционных родственников – растений. Как и мы, растения поддерживают отдельный митохондриальный геном, но, в отличие от нас, митохондриальные геномы растений имеют одну из самых медленных из известных скоростей мутаций среди всех живых существ – около одной мутации в каждой позиции ДНК за миллиард лет.
То, как они держат свои генетические последовательности в изоляции, а мы этого не делаем, долгое время оставалось загадкой для многих биологов.
Слоан финансируется за счет гранта Национальных институтов здоровья на исследование того, почему растения имеют такие стабильные митохондриальные геномы, и его лаборатория недавно обнаружила заманчивую находку.
Они связали эту стабильность с определенным геном – MSH1 – который есть у растений, но у животных (включая нас) нет. Их эксперименты, описанные в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут пролить свет на то, почему митохондриальные геномы животных имеют тенденцию к мутации, что может привести к революционным методам лечения для предотвращения таких мутаций.
«Понимание того, как некоторые системы смогли поддерживать эту действительно точную, низкую частоту мутаций, дает возможность понять обратную сторону медали – как получается, что люди страдают такой высокой частотой митохондриальных мутаций», – сказал Слоан, доцент на кафедре биологии. "Это не так просто, как просто противная химия, происходящая внутри этих митохондриальных компартментов, как некоторые думали. Вероятно, это связано с большим количеством различий между механизмами исправления ошибок организмов.
Это одна из главных черт этого исследования."
Исследователи протестировали несколько генов растений, которые, по их мнению, могут быть ответственны за стабильность митохондриального генома.
Они обнаружили, что нарушение гена MSH1 в обычном растении Arabidopsis thaliana привело к значительному увеличению частоты точечных мутаций и изменений митохондриальной ДНК. Оказывается, MSH1 содержит молекулярные особенности, которые могут сделать его способным распознавать несовпадения пар нуклеотидных оснований в процессе копирования ДНК. Эти исследователи планируют развить эту гипотезу в более поздних исследованиях.
Ген MSH1 существует у растений, но не у животных, что дает хорошее объяснение того, почему митохондриальные геномы человека так часто мутируют.
Затем исследователи спросили, откуда взялся этот ген?
Чтобы найти ответ, студент-исследователь и соавтор статьи Коннор Кинг решил изучить распределение гена по древу жизни. Он компьютерно добыл репозитории нуклеотидных и белковых последовательностей, чтобы выяснить, какие виды имеют этот ген. Он обнаружил доказательства наличия гена не только в растениях, но и во многих линиях сложных организмов, включая одноклеточные эукариотические организмы, а также некоторые прокариотические и вирусные виды.
Анализ Кинга предполагает возможность того, что ген произошел от так называемых гигантских вирусов, геномы которых размером почти с бактерии, и которые намного сложнее типичных вирусов. Они могли быть общими с другими организмами через древний горизонтальный перенос генов, при котором один вид переносит ДНК в другой.
«Результаты Коннора довольно ясно говорят нам, что этот ген был перенесен в разные части древа жизни», – сказал Слоан. Это понимание согласуется с идеей о том, что некоторым организмам удается заимствовать механизмы у вирусов и заменять их своими собственными.
Исследование стало возможным благодаря передовому секвенированию ДНК, при котором огромное количество ДНК может быть добыто для поиска очень редких мутаций. Ключевым нововведением стал аспирант и соавтор Гас Ванека (Gus Waneka), который адаптировал технику под названием дуплексное секвенирование, чтобы повысить ее точность в пределах погрешности, необходимой команде, чтобы сделать свои выводы.