Задерживаясь в эмбрионе, отцовские митохондрии лишают его энергии.

Когда мы говорим, что дети получают две копии генов, от матери и от отца, мы имеем в виду те гены, которые находятся в хромосомах, то есть в ядерной ДНК. К материнским хромосомам в яйцеклетке при оплодотворении добавляются отцовские, которые приносит сперматозоид. Варианты генов на материнских и отцовских хромосомах могут быть одинаковые, могут быть разные – так или иначе, у организмов с половым размножением происходит объединение родительских геномов.

Внутренняя мембрана митохондрий образует складки-кристы, увеличивающие её площадь. Во внутренней мембране сидят ферменты электрон-транспортной дыхательной цепи и синтеза АТФ.  (Иллюстрация: SkieTheAce / Pixabay.com)

Но в клетках, кроме ядерной ДНК, есть ДНК митохондрий. Митохондрии занимаются большим и очень сложным блоком биохимических реакций, которые дают клетке энергию в виде молекул АТФ. Некоторые белки, которые нужны для энергетических реакций, закодированы в митохондриальной ДНК. И митохондрии эти белки способны синтезировать сами; хотя полностью сами себя всем необходимым они не обеспечивают, им также нужны белки, закодированные в ядерной ДНК.

Митохондрии есть во всех клетках, и в половых клетках тоже. Но при оплодотворении отцовские митохондрии уничтожаются, поэтому митохондриальный геном наследуется исключительно по материнской линии. Механизмы уничтожения отцовских митохондрий активно изучают, и сейчас мы знаем, что ими занимаются мусороуборочные системы яйцеклетки, разрушающие ненужные белки и органеллы. Кроме того, в самих отцовских митохондриях после оплодотворения включается механизм самоуничтожения, связанный со специальным ферментом, который целенаправленно расщепляет митохондриальную ДНК. Несколько меньше известно о том, зачем вообще их уничтожать.

Дин Сюэ (Ding Xue) и его коллеги из Колорадского университета в Боулдере экспериментировали с зародышами круглого червя Caenorhabditis elegans. В яйцах червей пытались сохранить отцовские митохондрии, подавляя активность гена вышеупомянутого фермента, расщепляющего митохондриальную ДНК. Сохранить их так и не удалось – митохондрии уничтожались другими способами, что говорит о том, что для клетки очень важно, чтобы их не оставалось. Тем не менее, отцовским митохондриям удалось продлить время существования примерно на десять часов (личинка появляется на свет из яйца на пятнадцатом часу после начала эмбриогенеза).

В статье в Science Advances говорится, что у зародышей с задерживающимися отцовскими митохондриями был понижен уровень АТФ, той самой молекулы, в которой энергия хранится в удобной для клетке форме. Нехватка АТФ сказывалась на некоторых сигнальных путях, работающих в зародыше. Видимо, как результат такие зародыши чаще погибали, а те, которые появлялись на свет, во взрослом состоянии демонстрировали проблемы с памятью, обучением и брачным поведением, и у них были ещё некоторые аномалии, отличающие их от обычных червей. Всего этого не случалось, когда зародышам давали витамин К₂ – с ним уровень АТФ в зародышевых клетках повышался до обычной нормы, и у взрослых червей было всё в порядке с памятью и прочим.

Отцовские митохондрии, казалось бы, должны создавать избыток энергии, но тут всё получалось наоборот. Скорее всего, это связано с тем, что митохондрии мужских сперматозоидов попадают в яйцеклетку уже в сильно потрёпанном виде: у них сильно повреждены мембраны, которые теряют разницу потенциалов и начинают свободно пропускать через себя разные молекулы. На мембранах у митохондрий идёт важная часть энергетических реакций, и если они портятся, на избыток энергии рассчитывать не приходится. Кроме того, дефектные митохондрии влияют на клеточную среду вокруг себя, и влияют плохо. Но это лишь одно из объяснений того, почему яйцеклетка старается избавиться от отцовских митохондрий.

Тут есть и другие гипотезы – например, что материнские митохондрии уже «сработались» с ядерной ДНК, а новые отцовские вносят некий разлад в устоявшееся сотрудничество. (Хотя некоторые исследователи полагают, что разногласия между митохондриальным и ядерным геномом идут клетке на пользу.) Как бы то ни было, судя по тому эффекту, который отцовские митохондрии оказывают на потомство, от них в самом деле стоит избавляться. Похожие эксперименты ставили и раньше, но сейчас удалось проследить отрицательное влияние отцовских митохондрий не только на яйцеклетки и эмбрионы, но и на взрослое потомство.