Возникновение «профессиональных» половых клеток объяснили активным образом жизни

Ученые создали эволюционную модель, которая объясняет, почему у людей развились зародышевые половые клетки, а у растений нет. Результаты моделирования говорят о том, что такое разделение, скорее всего, связано с переходом к активному потреблению энергии и накоплением мутаций в митохондриях. Статья об исследовании вышла в журнале PLOS Biology

У животных и растений разный механизм формирования половых клеток. У растений (а также губок и кораллов) они развиваются из стволовых клеток тканей, составляющих тело организма, т.е. соматических клеток. При этом у большинства животных в процессе эмбрионального развития выделяется отдельная линия первичных половых клеток (гоноцитов), которые затем мигрируют в половые органы и не принимают участия в развитии организма. Их функция – только размножение.

До сих пор не вполне понятно, почему у живых организмов существует два разных пути развития половых клеток. Биологи из Университетского колледжа Лондона предположили, что обособление гоноцитов необходимо, чтобы уберечь митохондрии от мутаций, которые накапливаются с каждым делением клетки. Ученые построили эволюционную модель, в которой учитывались количество делений клеток и тканей у организма. С помощью модели они показали, что необходимость раннего отделения половых клеток зависит от уровня мутаций в ДНК митохондрий. У организмов с большим разнообразием тканей и частотой  делений клеток этот уровень как правило высок – мутации накапливаются быстро – и чем старше организм, тем у него меньше качественных митохондрий. Поэтому для получения здорового потомства организму нужны клетки, которые не будут постоянно делиться.

Пример таких клеток – женские яйцеклетки. Они делятся только во время внутриутробного развития, затем большая их часть отсеивается, а оставшиеся погружаются в состояние покоя. Таким образом в митохондриях накапливается минимальное количество мутаций, необходимое для эволюционного разнообразия. Мужские половые клетки образуются постоянно в течение жизни и накапливают ошибки дупликации, но потомство не наследует их митохондрии.

При низком уровне мутаций митохондрий такой механизм не нужен организму. Ошибки при делении накапливаются гораздо медленнее и в половые клетки попадают качественные митохондрии. Поэтому растения, у которых частота делений клеток относительно мала, не нуждаются в отдельной линии половых клеток.

Ученые также предполагают, что раннее отделение гоноцитов эволюционно было связано с переходом от питания путем фильтрования к хищничеству. Активное питание увеличило потребность тканей в  энергии и привело к увеличению количества митохондрий.

Эту гипотезу довольно сложно проверить в полном объеме, она охватывает такой период естественной истории, что исследовать его можно лишь теоретическим моделированием. Но правдоподобно объясняет разные механизмы формирования половых клеток у животных и растений и решает многие проблемы, которые присутствуют в других гипотезах полового развития, например, гипотезы кооперации эгоистичных клеток.

Быстрое накопление мутаций ДНК в митохондриях ведет к возникновению ряда наследственных болезней, среди них митохондриальный сахарный диабет, рассеянный склероз и расстройства аутического спектра. Чтобы избежать передачи дефектных митохондрий была разработана заместительная митохондриальная терапия. Этим летом родился первый ребенок, зачатый с помощью ЗМТ.