Гены, оставшиеся в ходе эволюции в «энергетических станциях клетки», помогают избежать проблем в управлении: если в митохондрии что-то сломается, она может починить это сама, не дожидаясь разрешения из «центра».

Наши клетки получат энергию с помощью особых органелл, называемых митохондриями, которых часто так и называют энергетическими станциями клетки. Внешне они выглядят как цистерны с двойной стенкой, причём внутренняя стенка очень неровная, с многочисленными сильными впячиваниями.

Клетка с ядром (окрашено синим) и митохондриями (окрашены красным). (Фото NICHD / Flickr.com.)

Митохондрии в разрезе, выросты внутренней мембраны видны как продольные внутренние полосы. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

В митохондриях происходит огромное количество биохимических реакций, в ходе которых «пищевые» молекулы постепенно окисляются и распадаются, а энергия их химических связей запасается в удобной для клетки форме. Но, кроме того, у этих «энергетических станций» есть своя ДНК с генами, которую обслуживают собственные молекулярные машины, обеспечивающие синтез РНК с последующим синтезом белка.

Считается, что митохондрии в очень далёком прошлом были самостоятельными бактериями, которых ели какие-то другие одноклеточные существа (с большой вероятностью, археи). Но однажды «хищники» вдруг перестали переваривать проглоченных протомитохондрий, удерживая их внутри себя. Началось долгое притирание симбионтов друг к другу; в итоге те, кого проглотили, сильно упростились в строении и стали внутриклеточными органеллами, а их «хозяева» получили возможность за счёт более эффективной энергетики развиваться дальше, во всё более и более сложные формы жизни, вплоть до растений и животных.

О том, что митохондрии когда-то были самостоятельными, говорят остатки их генетического аппарата. Разумеется, если живёшь внутри на всём готовом, необходимость содержать собственные гены пропадает: ДНК современных митохондрий в человеческих клетках содержит всего 37 генов – против 20-25 тысяч тех, что содержатся в ядерной ДНК. Многие из митохондриальных генов за миллионы лет эволюции перебрались в клеточное ядро: белки, которые они кодируют, синтезируются в цитоплазме, а потом транспортируются в митохондрии. Однако тут же возникает вопрос: а почему 37 генов всё-таки остались там, где были?

Митохондрии, повторим, есть у всех эукариотических организмов, то есть и у животных, и у растений, и у грибов, и у простейших. Иан Джонстон (Iain Johnston) из Бирмингемского университета и Бен Уильямс (Ben P. Williams) из Института Уайтхеда проанализировали более 2 000 митохондриальных геномов, взятых у различных эукариот. С помощью особой математической модели исследователи смогли понять, какие из генов в ходе эволюции были более склонны оставаться в митохондриях.

Мы знаем, что центральная роль в добыче энергии принадлежит группе белков, входящих в так называемую электронтранспортную цепь: будучи встроены во внутреннюю стенку-мембрану митохондрий, они переносят друг от друга электроны, оторванные от окисляемой «пищевой» молекулы, с тем, чтобы в конце концов отдать их кислороду. В детали работы этого комплекса мы вдаваться не будем, скажем лишь, что здесь есть белки, выполняющие в ходе электронного переноса основные операции, и есть те, которые находятся как бы на периферии процесса. И вот, как оказалось, гены, кодирующие главные белки, с наибольшей вероятностью в ходе эволюции остаются в митохондриях; менее же главные часто отправляются в ядерный геном.

Но само по себе слово «главные» ничего (и, добавим, никогда) не объясняет. Почему именно такие белки должны синтезироваться, так сказать, по месту своей работы? В статье в Cell Systems авторы приводят несколько объяснений. Во-первых, белки, которые сидят в мембранах, обладают некоторыми физико-химическими особенностями: одна часть их молекулы гидрофильная, то есть легко взаимодействующая с водой, другая же – гидрофобная.

Частичная гидрофобность нужна для того, чтобы белок смог сидеть в мембране, а клеточная мембрана – это двойной слой липидов, и в нём может закрепиться только такая молекула, которая не будет «любить» воду, но будет «любить» жир, липиды, масло. Попадая в водную среду, гидрофобные белки ищут возможности спрятаться от воды, то есть ищут таких же, как они, гидрофобов – понятно, что их молекулы начинают слипаться друг с другом. Клетка умеет обращаться с такими белками, но всё равно – если их синтезировать в одном месте, а потом везти к митохондриям, велик риск того, что «груз» слипнется в комок так, что не разлепишь. Проще собирать их прямо в митохондриях.

Во-вторых, известно, что митохондрии – место довольно опасное с химической точки зрения. Митохондрии работают с кислородом, в качестве побочных продуктов получаются кислородные радикалы повышенной агрессивности, которые легко могут испортить биологические макромолекулы, как белки, так и ДНК. Но ДНК в зависимости от нуклеотидного состава может быть как менее, так и более устойчива к повреждениям. И вот гены, чья последовательность была особо чувствительна к агрессивной среде в митохондриях, были вынуждены уйти в ядро.

В-третьих, из-за тех же сложных условий, о которых мы только что сказали, белковые комплексы электронтранспортной цепи часто ломаются. Митохондрий же в клетке много. Если бы информация о митохондриальных белках заключалась в ядре, то клетка не могла бы быстро реагировать на то, что некоторые из «энергетических станций» вышли из строя. То, что некоторые гены остались в самих митохондриях, позволяет устранить поломку – или просто отрегулировать активность органеллы – не дожидаясь «санкции центра». Иными словами, за счёт частичного генетического самоуправления митохондрий клетка избегает управленческих проблем.

Однако несмотря на то, что митохондриальные гены остались там, где остались, они могут влиять на гены ядра: некоторое время назад сотрудники Массачусетского технологического института обнаружили, что гены митохондрий способны маскировать эффекты от мутаций, попавших в хромосомные гены.

 Конечно, было бы странно, если бы митохондрии, проэволюционировав так долго вместе с клетками-хозяевами, не научились хоть как-то влиять на молекулярно-генетические процессы в ядре. Если учесть, как много всего в жизни любого эукариотического организма зависит от пресловутых «энергетических станций» (а мутации в митохондриальной ДНК чреваты тяжёлыми заболеваниями, не говоря уже об окислительном стрессе, неиссякающим источником которого являются митохондрии), то очевидно, что митохондриальные и хромосомные гены просто таки должны всё время общаться друг с другом, несмотря на расстояния, их разделяющие.

По материалам Science.