Все новости

Чужие внутри нас (возможно, папины). Оказывается, митохондрии все-таки могут наследоваться от отца. А чего еще мы не знаем о митохондриях?

© В коллаже использовано изображение 3d_man / Фотодом / Shutterstock
До сих пор считалось, что митохондрии (вместе со своими ДНК и генетическими болезнями) передаются только по материнской линии. Но только что выяснилось, что митохондриальные мутации дети могут наследовать и от отца. «Чердак» рассказывает о том, как это обнаружили, и заодно вспоминает, чего еще мы не знаем о митохондриях.

Откуда ты взялась?

Митохондрия когда-то была бактерией, но примерно 2 500 миллионов лет назад ее проглотил предок эукариотической (то есть содержащей ядро) клетки, и с тех пор они живут с нами. Точнее — в нас. Так гласит теория симбиогенеза, которой в прошлом году исполнилось 50 лет. Ее подтверждают многие особенности строения митохондрий — например, у них две мембраны разного состава (снаружи — клеточная, а под ней еще одна — бактериальная). А если забраться под них, то внутри можно найти характерные для бактерий рибосомы (они меньше, чем эукариотические) и свернутую в кольцо ДНК. Впрочем, никто не знает точно, как именно и зачем бактерия — будущая митохондрия — оказалась внутри клетки. Возможно, такое сожительство было чем-то выгодно для обеих.

Недавно ученые взяли дрожжи (эукариот)  и кишечную палочку (прокариот) и заставили первых проглотить вторую. Правда, для этого пришлось сделать так, чтобы они не могли выжить друг без друга. Бактерий лишили гена, отвечающего за производство витаминов, а дрожжам удалили митохондрии, чтобы они не могли получать энергию. Гибридные клетки, образовавшиеся после поглощения бактерий, были вполне жизнеспособны. Однако это лишь модель, и мы все еще не знаем, каким путем двигалась эволюция на самом деле.

Куда ты подевала гены?

За то время, что эукариотическая клетка и митохондрия живут вместе, они окончательно лишились своей автономности. И если без энергии, поставляемой митохондриями, клетка существовать может (хотя полностью безмитохондриальных эукариот все равно мало), то бывшая бактерия превратилась в полностью зависимое от хозяина существо. В геноме наших, человеческих, митохондрий,  осталось всего 37 генов, остальные же либо потерялись за ненадобностью, либо перекочевали в ядро. Как именно гены перемещались по клетке, точно никто не знает — мы можем только догадываться.

Не ты ли меня старишь?

Теорий старения люди успели придумать несколько сотен, из них множество так или иначе связаны с митохондриями. Одни полагают, что митохондрии изнашиваются с годами, поэтому клетки получают все меньше и меньше энергии. Другие, напротив, утверждают, что митохондрии в течение жизни работают слишком активно. При этом они потребляют слишком много кислорода, а он уже, в свою очередь, вызывает образование свободных радикалов и повреждения внутриклеточных молекул. Третьи же винят во всем апоптоз — программу клеточной гибели: мол, ее запускают белки из внутренней мембраны митохондрий. Этот способ умереть в нашу жизнь тоже привнесла предковая симбиотическая бактерия. У них есть собственные программы апоптоза и белки, похожие на наши. Со временем гены апоптоза переселились в наше ядро, а программа стала работать на уровне целой клетки. Правда, подробности этого перехода все еще неизвестны.

Зачем тебе теломераза?

Теломераза — еще один белок, популярный среди исследователей старения. Ее основная функция — достраивать концы ДНК, которые укорачиваются при каждом делении клетки. У человека теломераза активна только в стволовых клетках, поэтому многие винят именно ее в том, что с возрастом ткани обновляются хуже. Однако не так давно теломеразу обнаружили и в митохондриях, причем не отдельные молекулы, а 20% всей теломеразы клетки. Что она там делает — большая загадка, ведь митохондриальная ДНК свернута в кольцо, концов не имеет и потому теломеразе там заняться, казалось бы, нечем. Тем не менее под действием теломеразы митохондрии расходуют кислород экономнее и меньше повреждаются. А мыши, у которых теломеразы в митохондриях много, лучше восстанавливаются после инфаркта.

Кому ты достанешься?

До этого дня официально считалось, что митохондрии наследуются только по материнской линии. Это связано с тем, что при оплодотворении яйцеклетка превращается в зародыш целиком, вместе со всеми органеллами, а сперматозоид привносит только генетический материал и одну из центриолей (часть клеточного скелета, образующую полюс делящейся клетки). Вместе с митохондриями зародыш наследует и мутации в их ДНК — отсюда ряд генетических заболеваний, передающихся только от матери, например синдром Лея (проявляющийся в основном в нервной системе) или диабет и глухота. Но в свежей статье, появившейся в журнале PNAS, описаны несколько случаев наследования митохондрий от отца.

Все началось с ребенка, который попал в генетическую клинику с подозрением на митохондриальное заболевание. Он страдал хронической усталостью, слабостью и мышечными болями. Эти симптомы нередко указывают на то, что митохондрии в мышцах не производят достаточно энергии. Однако его мать ничего подобным не болела. В процессе секвенирования митохондриальной ДНК выяснилось, что в клетках ребенка одновременно живут два типа митохондрий, материнские и отцовские. Это явление называют гетероплазмией, и его удалось обнаружить еще в нескольких семьях.

Вас много — как вы уживаетесь вместе?

В каждой клетке человека митохондрий очень много. Их могут быть сотни и тысячи. Если они все генетически идентичны, то никакой конкуренции между ними нет. Но при оплодотворении какая-то часть из этих тысяч митохондрий сперматозоида все же оказывается внутри яйцеклетки. И здесь начинается настоящая битва. К сожалению, мы до сих пор не знаем, как именно материнским митохондриям человека удается одержать верх над отцовскими. У большинства живых организмов это тоже так, но победы куются  разными способами. В одних клетках отцовские митохондрии поглощаются пищеварительными вакуолями, в других — разрушаются путем аутофагии.

Тем не менее можно предположить, что ядерные гены, ответственные за этот процесс, могут мутировать, и тогда в зародыше отцовские митохондрии будут выживать. Правда, одной мутацией здесь, скорее всего, не обойтись. Отцовских митохондрий, даже если они избегают уничтожения, в оплодотворенной яйцеклетке все равно очень мало (около 0,1% от всего количества). Но раз их повреждения проявляются у ребенка и оказывают серьезное влияние на здоровье, значит, они должны были как-то размножиться. То есть в самой митохондриальной ДНК отца должны быть еще какие-то мутации, которые позволяют этим органеллам избирательно размножаться и захватывать все больше клеточного пространства.

Можно ли от тебя избавиться?

Митохондриальные генетические проблемы доставляют не меньше проблем, чем ядерные. Тем не менее их мы уже почти научились чинить — с помощью технологии «ребенка от трех родителей». Идея состоит в том, чтобы пересадить родительские ядра в донорскую цитоплазму со здоровыми митохондриями. Есть несколько вариантов того, как это можно осуществить. Например, можно оплодотворить яйцеклетку матери сперматозоидом отца, а затем гибридное ядро пересадить в яйцеклетку донора. Или же — более этичный вариант, не требующий разрушения зародыша, — пересадить ядро яйцеклетки матери в цитоплазму донора, а потом оплодотворить гибридную яйцеклетку сперматозоидом отца. Подобные операции не всегда проходят успешно: в некоторых случаях митохондрии матери все же попадают в цитоплазму донора и есть риск, что они там останутся. А теперь, судя по всему, придется проверять и отца, потому что ребенок может оказаться тройным митохондриальным гибридом, а исход такой битвы не всегда просто предсказать.

 Полина Лосева