Митохондриальная ДНК проникает в ядерный геном
Хлоропласты и митохондрии, как известно, являются единственными органеллами, имеющими свой собственный геном, отдельный от генома, находящегося в ядре.
Согласно исследованию, опубликованному 5 октября в журнале Nature, оказывается, что время от времени ДНК покидает митохондрии и встраивается в наши хромосомы. Результаты исследования проливают свет на то, как развивается ядерный геном.
Считается, что митохондрии ведут свое происхождение от бактерии, поглощенной эукариотической клеткой два миллиарда лет назад. Примитивный прокариот остался на месте, и его геном сократился до тринадцати генов, кодирующих белки. По ходу дела некоторые гены просто исчезли, а остальные переместились в ядро, прежде чем мы эволюционировали от наших предков-приматов. С тех пор считается, что митохондриальная ДНК (мтДНК) существует отдельно от ядра, наследуясь оптом от наших матерей.
Но в 2018 году одно исследование поставило под сомнение эту упрощенную картину материнского митохондриального наследования, описав отцовскую мтДНК у 17 человек и предположив, что эта органелла может быть унаследована от любого из родителей. "Это была действительно дикая идея", - рассказывает Патрик Чиннери, невролог из Кембриджского университета в Великобритании. "Мы отнеслись к этому открытию со здоровым скептицизмом и стали искать другие объяснения".
Первоначальный анализ людей с положительным результатом анализа отцовской мтДНК, проведенный Чиннери и его коллегами, показал, что они не унаследовали от своих отцов саму органеллу. Вместо этого части отцовской мтДНК прикрепились к ядерному геному. В новом исследовании группа изучила все последовательности геномов около 66 000 участников проекта "100 000 геномов", проводимого организацией Genomics England. Исследователи специально искали участки ДНК, одна половина которых могла быть отнесена к ядру, а другая - к митохондриям. В результате поиска было обнаружено 1637 митохондриальных фрагментов в ядерном геноме, причем более 99 % людей имеют хотя бы один из них. В среднем человек обладает примерно пятью вставками, которые не были описаны ранее, что позволяет предположить, что они попали в геном недавно в ходе эволюции человека, сообщают авторы работы.
Полученные результаты позволяют предположить, что "эти переносы геномной информации из митохондрий в ядро происходят и сегодня", - говорит клеточный биолог Коул Хейнс из Медицинской школы Университета Массачусетса Чан, который не принимал участия в исследовании.
В базе данных исследователей содержались данные секвенирования примерно 8000 семей с одним ребенком, что позволило им определить, насколько часто происходит этот процесс. Новый митохондриальный фрагмент появляется в ядерном геноме раз в 4 000 рождений, как они обнаружили, что является удивительно распространенным событием, учитывая, что в мире ежедневно рождается около 385 0000 детей. Для Хейнса определение этих событий, при которых происходит перенос мтДНК в ядро, стало "самым крутым открытием" исследования. Такой перенос "происходит постоянно", - утверждает он.
Исследование имеет широкие последствия для изучения эволюции эукариот, считает Иэн Джонстон, специалист по вычислительной биологии из Бергенского университета в Норвегии, который не принимал участия в работе. Вместо того чтобы считать митохондрии застывшими во времени, их передача информации с ядром "непрерывна и динамична", добавляет он.
Фрагменты мтДНК обычно обнаруживались рядом с участками связывания PRDM9, белка, участвующего в ремонте двухцепочечных разрывов в ДНК. Это говорит о том, что мтДНК может интегрироваться в геном в местах разрыва обеих нитей ДНК, пишут авторы в своей статье. "Кусочки митохондриальной ДНК преимущественно вставляются в эти отверстия и действуют как своего рода пластырь для ремонта ядерного генома", - объясняет Чиннери.
Из 66 000 геномов, включенных в первоначальный анализ, 12 000 были получены от людей с раком. Сравнение клеток крови и опухолевых клеток этих людей выявило больше митохондриальных сегментов в раковых клетках, возможно, потому, что они испытывают больше повреждений ДНК. По словам Чиннери, фрагменты мтДНК обычно встраиваются в некодирующую ДНК и инактивируются добавлением метильных групп, что позволяет предположить, что они не представляют опасности для здоровья. Однако его команда обнаружила редкие случаи прикрепления сегментов к регионам, известным как драйверы рака, что, по его словам, может спровоцировать развитие опухоли. По словам Джонстона, "более тонкое исследование" роли митохондриальной ДНК в развитии рака может оказаться информативным.
Следующим шагом, по словам Чиннери, будет выяснение того, как происходят эти вставки. Одна из возможностей заключается в том, что ДНК каким-то образом прокладывает себе путь через двойную мембрану митохондрий. В качестве альтернативы в этом может быть виновата митохондриальная мессенджерная РНК, в этом случае ее необходимо подвергнуть обратной транскрипции, прежде чем она попадет в ядерный геном. "Конечно, именно так поступают вирусы, - говорит Чиннери. Наши собственные митохондрии могут проделать аналогичный трюк".
