Митопротеомы пяти паразитов и одного растения обладают медицинским потенциалом — и вновь поднимают вопрос о том, когда именно произошла эволюция митохондрий.
Ученые с беспрецедентной детализацией картировали белки, составляющие митохондрии шести организмов — пяти одноклеточных паразитов и одного растения — охватывающих все эукариотическое древо жизни. Результаты, описанные в девяти статьях, опубликованных в журналах Cell, Cell Press Blue, Molecular Cell и Current Biology 1–9 октября, выявляют десятки белков, которые не встречаются у человека, но являются общими для паразитов, включая некоторые, вызывающие малярию или сонную болезнь. Эти данные могут помочь ученым разработать новые методы лечения этих заболеваний. Работа также возобновила давние дебаты о происхождении митохондрий.
Митохондрия, наиболее известная как энергетический центр эукариотической клетки, поскольку она производит энергию, имеет собственную крошечную ДНК, которая отличается от ДНК ядра клетки. Но как митохондриальная, так и ядерная ДНК кодируют белки, составляющие эти органеллы. Большая часть того, что известно о митохондриях, получена в результате исследований человека и дрожжей, говорит митохондриальный биолог Вамси Моот, который руководил проектом каталогизации «митопротеома». Теперь, анализируя митохондриальные белки в нескольких эукариотических ветвях, команда обнаружила больше белков, которые могут указывать на неизученные молекулярные пути.
Моот и его коллеги проанализировали протеом нескольких паразитов, включая Giardia lamblia, которая ежегодно поражает около 280 миллионов человек во всем мире и вызывает диарею. Паразиты рода Giardia обладают крошечными, похожими на митохондрии органеллами, которые трудно изучать, поскольку они живут внутри кишечника других организмов, без кислорода, поясняет Павел Долежал, клеточный биолог из Карлова университета в Праге, Чехия. Моот и его коллеги идентифицировали в общей сложности 59 митохондриальных белков у G. lamblia — 32 из которых были уже известны ученым ранее, а 27 — нет. Функция 34 из них неизвестна, что удивительно, говорит Долежал, потому что «это означает, что существует какой-то метаболизм, о котором мы не знаем».
Объединив митопротеомы шести организмов с известными митохондриальными белками человека и дрожжей, исследователи собрали коллекцию из 8619 митохондриальных белков, которые были отнесены к 3199 семействам. Около 43% этих семейств не были зарегистрированы в гигантской базе данных белков, известной как Pfam. И 33 семейства белков сохраняются у эукариотических патогенов, но отсутствуют у человека. Эти белки могут быть «идеальными мишенями» создания препаратов для прецизионной терапии, которая будет воздействовать на белки паразитов, но не на белки человека, отмечает Моот.
Исследователи сходятся во мнении, что митохондрии появились два миллиарда лет назад, когда бактерия была поглощена клеткой археи и начала жить внутри нее в взаимовыгодных отношениях — известных как эндосимбиоз. Считается, что эта бактерия, которая позже стала митохондрией, обеспечивала своих хозяев-архей энергией. Однако до сих пор неясно, возникла ли митохондрия на ранних или поздних этапах эволюции эукариот.
Чтобы ответить на этот вопрос, Моот и его коллеги нанесли линию митопротеомов эукариот на филогенетическое дерево — разветвленную карту эволюционных взаимосвязей между видами. Ученые использовали модель искусственного интеллекта для изучения известных геномов 203 эукариот и прогнозирования того, какие из кодируемых ими белков являются митохондриальными. Они выявили 1420 семейств, не зарегистрированных в существующих базах данных. «На основе этой обширной коллекции мы смогли провести филогенетический анализ, чтобы попытаться понять, как мог выглядеть митохондриальный протеом последнего общего предка эукариот», — рассказывает Моот. Исследование показало «довольно сложную митохондрию с множеством метаболических возможностей», включая аэробный и анаэробный метаболизм, добавляет он. "Это ценное подтверждение» более ранних работ об общем предке", — считает эволюционный биохимик Ник Лейн.
Моот и его коллеги утверждают, что их филогенетический анализ подтверждает гипотезу о появлении митохондрий на поздних стадиях эволюции эукариот, поскольку линии, соответствующие другим частям клетки, вытягивались в длинные ветви на филогенетическом дереве до появления митопротеомов. Однако Лейн предупреждает, что длинные ветви на филогенетическом дереве могут иметь различные интерпретации, помимо указания на длительный эволюционный период. Вместо этого они могут свидетельствовать о быстром эволюционном процессе, говорит он. «Проблема в том, что в паразитической ситуации — как в эндосимбиозе при возникновении эукариот — могут наблюдаться систематически разные длины ветвей» для разных групп генов, эволюционирующих с разной скоростью. Поскольку гены архей приобрели новые функции в бактериальных мембранах, у них должны быть более длинные ветви, чем у бактериальных генов, которые продолжали выполнять те же процессы, объясняет он. «Я не думаю, что мы когда-либо сможем точно определить, когда именно появились митохондрии», — считает Долежал.
