Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Найдено первое животное без митохондриальной ДНК

Израильские ученые обнаружили первое животное, митохондрии которого лишены ДНК. Этим животным оказалось маленькое беспозвоночное Henneguya salminicola из группы стрекающих. Его митохондрии потеряли способность производить собственные белки и дышать с помощью кислорода, поэтому и митохондриями в строгом смысле слова их назвать нельзя. Вместе с ними из ядерного генома исчезло большинство генов, отвечающих за эти процессы. Причиной потери митохондрий стала, вероятно, жизнь в бескислородной среде — Henneguya salminicola паразитирует внутри организма червей и рыб, где совершенно необязательно уметь полноценно дышать. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Одним из важных этапов в происхождении эукариот («ядерных» организмов) стало приобретение митохондрий. Судя по всему, когда-то они были бактериями, но потом поселились внутри будущих эукариотических клеток и постепенно утратили автономность. У современных эукариот митохондрии еще способны размножаться и дышать (то есть с помощью кислорода добывать энергию из органических молекул), но не могут полностью себя обеспечивать. Несмотря на то, что они сохранили остатки бактериальной ДНК, часть белков им приходится получать из цитоплазмы клетки, а соответствующие гены мигрировали в ядерный геном.

Долгое время считалось, что митохондрии свойственны абсолютно всем эукариотам. Однако в 2016 году чешские ученые описали первого эукариота, полностью лишенного митохондрий, — протиста Monocercomonoides, которого они выделили из кишечника шиншиллы. Кроме того, к тому времени уже было известно, что у многих одноклеточных эукариот, которые живут в бескислородной среде, митохондрии частично потеряли свои функции. При этом они изменились до неузнаваемости, превратившись в митохондриеподобные органеллы — мембранные пузырьки без ДНК, рибосом и крист (складок внутренней мембраны, которые необходимы для кислородного дыхания). Некоторые из них называют митосомами (они потеряли все функции, кроме нескольких ферментов), другие — гидрогеносомами (они научились получать энергию без кислорода, на выходе производя водород).

Тем не менее, до сих пор все эти превращения митохондрий были известны только для одноклеточных протистов. У многоклеточных животных неизменно обнаруживали полноценными митохондрии. Теперь же группа ученых из Университета Тель-Авива под руководством Доротеи Юшон (Dorothée Huchon) представила полные доказательства того, что животные, в том числе многоклеточные, тоже могут быть лишены митохондрий. Объектом их исследования стали миксозои — паразитические стрекающие. По сравнению со своими более известными родственниками — гидрами и медузами — миксозои пошли по пути радикального упрощения. В их организме осталось всего три типа клеток, а на некоторых стадиях развития они представляют собой одну большую многоядерную клетку, из-за чего их долгое время вообще не признавали многоклеточными.

В течение своего жизненного цикла миксозои поочередно паразитируют на рыбах и кольчатых червях, почти все время проводя в анаэробных условиях. Чтобы выяснить, что при этом происходит с их митохондриями, исследователи сравнили два близких пресноводных вида, которые паразитируют на лососевых рыбах — Henneguya salminicola и Myxobolus squamalis.

Отсеквенировав их геномы, ученые обнаружили у M. squamalis типичную кольцевую митохондриальную ДНК, но у H. salminicola ее найти не удалось. Это могло быть следствием неточной сборки отсеквенированного генома, поэтому исследователи подтвердили свои наблюдения с помощью микроскопии. Обработав клетки миксозой красителем DAPI, который избирательно связывается с ДНК, они заметили, что у H. salminicola окрашиваются только ядра, в отличие от M. squamalis, у которой можно заметить маленькие пятна митохондриальной ДНК. В то же время с помощью электронной микроскопии они подтвердили, что в клетках H. salminicola есть структуры, визуально похожие на митохондрии — двумембранные мешочки со складками внутренней мембраны.

Чтобы выяснить, какие функции еще способны выполнять митохондрии H. salminicola, ученые проверили, сколько генов, которые когда-то были митохондриальными, сохранилось в их ядерной ДНК. Оказалось, что среди генов, связанных с обменом веществ, уцелел 51 ген (и 57 у M. squamalis). Правда, из генов, связанных с дыханием, в ядерной ДНК H. salminicola остались всего 7 (у других миксозой их 18-25), причем «потерялись» именно те, которые кодировали белки для транспорта электронов и связывания кислорода. И среди 58 генов, которые отвечают за копирование митохондриальной ДНК у миксозой, у H. salminicola остались лишь 6 (у M. squamalis — 41). Это означает, что «упрощенные» митохондрии H. salminicola не полностью утратили свои функции: они способны, например, расщеплять углеводы, но не могут получать энергию с использованием кислорода, а также производить собственные митохондриальные белки.

Важной находкой для ученых стал ген, который кодирует одну из субъединиц полимеразы — белка, который должен копировать ДНК в митохондриях. В ядерном геноме H. salminicola этот ген превратился в псевдоген — в нем возникли три точечные мутации, которые мешают ему работать. Это означает, что предыдущие результаты — не артефакты секвенирования, и гены, необходимые для размножения митохондрий, когда-то действительно были в ядре H. salminicola.

Таким образом, в клетках H. salminicola находится митохондриеподобная органелла. У нее больше функций, чем у митосомы, и на гидрогеносому она тоже непохожа, но и полноценной митохондрией назвать ее нельзя из-за отсутствия генома и неспособности дышать с использованием кислорода. Судя по всему, митохондриальные гены пали жертвой упрощения: по сравнению с другими стрекающими, миксозои потеряли большинство органов и клеточных типов и, не останавливаясь на этом, начали избавляться от «лишних» генов в ядре и других органеллах. А способствовало этому окружение внутри их организмов-хозяев — внутри белых мышц рыбы кислорода совсем немного, и для того, чтобы там выжить, совсем необязательно уметь полноценно дышать.

Теперь мы знаем, что и среди многоклеточных животных встречаются организмы без настоящих митохондрий. Скорее всего, это не последнее открытие на этом пути: следующими могут стать некоторые анаэробные черви и морские лорициферы. У них подозревают наличие гидрогеносом — но пока только на основании микроскопии, генетическое подтверждение этих догадок еще только предстоит получить.

Недавно ученые обнаружили дышащие митохондрии в крови человека, отдельно от клеток. Также они выяснили, что внутри клеток эти органеллы могут разогреваться до 50 градусов по Цельсию, а удаление их помогает клеткам не стареть.

Полина Лосева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.