Кожна людина в своєму клітинному ядрі має приблизно 5 послідовностей ДНК, котрих мати б не повинна. Адже ці фрагменти ДНК, що завдовжки до 1500 пар основ, походять із мітохондрій, засвідчили аналізи. Тобто частини мітохондріального ДНК проникають у геном клітинного ядра – і цей процес триває донині. Це суперечить поширеній теорії та кидає нове світло на еволюцію нашого геному.
Згідно зі загальноприйнятою теорією, мітохондріальна ДНК цілком ізольована від ДНК клітинного ядра. Але це не так. Зображення: Jian Fan, DeoSum/ Getty images.
Кожна людина у своїх клітинах має два типи ДНК: найбільша частина нашого генетичного матеріалу міститься в хромосомах клітинного ядра і передається від батьків до дітей. Натомість менша частина геному розташована в мітохондріях – енергетичних центрах клітини. Ця мітохондріальна ДНК складається з 37 генів, розділених приблизно на 16 500 пар основ, котрі регулюють передусім реакції, пов’язані з виробництвом енергетичної молекули АТФ.
Згідно з загальноприйнятою теорією, мітохондріальна ДНК цілком ізольована від ДНК клітинного ядра, успадковується тільки по материній лінії: через яйцеклітину мати передає її нащадкам разом із мітохондріями. Однак 2018 року вчені виявили сім'ю, в котрій мітохондріальна ДНК передавалася і по батьківській лінії – іншого пояснення, звідки взялися збіги між дітьми та батьками, не було. Принаймні, тоді.
Однак тепер виявляється, що причина такого переходу мтДНК ще несподіваніша. Її виявили Вей Вей (Wei Wei) з Кембриджського університету та її колеги. Вони проаналізували генетичний матеріал клітинних ядер понад 66 000 людей, шукаючи в них вставки мітохондріальної ДНК. Про те, що такі вставки існують, відомо давно. Однак їх вважали пережитком ранніх етапів тваринної еволюції – епохи, що наступили після того, як перші клітини захопили бактерії, утворивши перші мітохондрії шляхом ендосимбіозу.
Дивовижний результат: у ядерній ДНК своїх піддослідних вчені виявили понад 3800 сегментів мітохондріальної ДНК, які раніше були невідомі і не помічені в жодному референтному геномі. Згідно з отриманими даними, в геномі свого клітинного ядра кожна людина в середньому має 4,7 таких вставок мтДНК. Довжина цих вбудованих послідовностей варіює від невеликих фрагментів у 24 пари основ до всього мітохондріального геному. Однак короткі вставки зустрічаються частіше, ніж довгі, помітила команда.
Послідовності ДНК, що походять з клітинних “енергетичних станцій”, походять з усіх частин мітохондріального геному і, як засвідчили аналізи, можуть вростати в усі хромосоми. Однак жодну з них не помітили всередині гена, що кодує білок. Натомість близько 58% цих вставок були розташовані поблизу генів або на їхніх вхідних послідовностях, решту ж – у ділянках геному, що належать до “некодуючої” ДНК.
Мітохондрії наділені своїм власним геномом. Зображення: ttsz/ Getty images.
Усупереч попереднім припущенням, ці вставки аж ніяк не є давніми послідовностями ДНК, переданими від ранніх предків-тварин. Натомість дослідники з’ясували: 90% цих вставок мтДНК потрапили в ядро клітини лише після відокремлення людського виду від найближчих родичів-приматів. Більшості з цих вставок менше 100 000 років.
Порівняння генетичного матеріалу, відібраного у близько 8200 сімейних тріо (матері, батька і дитини), засвідчують: мітохондріальна ДНК і сьогодні потрапляє в ядро клітини, а звідки – в наш геном. Згідно з цими даними, кожна четверта новонароджена дитина має в своєму геномі такі мтДНК-вставки, які вперше розвинулися під час ембріонального розвитку. Цей перехід може відбуватися як у статевих клітинах, так і пізніше в окремих тканинах або клітинах.
“Ми думали, що все це відбувалося дуже давно, ще до того, як наш вид еволюціонував, але зараз ми знаємо, що це не так”, – сказав старший науковець Патрік Чіннері (Patrick Chinnery) з Кембриджського університету. Натомість перенесення мтДНК в наш ядерний геном відбувається і сьогодні. “Саме зараз, у цей момент, відбувається проникнення частин мітохондріального генного коду до ядерного геному”, – сказав Чіннері. Це також може означати, що процес, який розпочався мільярди років тому з ендосимбіозу, ще не завершився.
Як саме відбувається перенесення ДНК з мітохондрій до клітинного ядра, поки неясно. Можна припустити, що послідовності мтДНК зазнали випадкового “витинання” з мітохондріального геному під час клітинного поділу, а потім через клітинну плазму мігрували в ядро. Однак не виключено, що роль посередників виконують молекули РНК. Ця РНК, що утворюється під час зчитування мтДНК, може потім помилково переходити до ядерної ДНК в процесі “ремонту” ДНК клітинного ядра.
Цікаво також: наш клітинний апарат розпізнає, що вставки мтДНК не належать до ядерного геному. Приєднуючи метильні групи, клітина перешкоджає зчитуванню мітохондріальних генів у ядерній ДНК, змушуючи їх “замовкнути”. Як наслідок, ці вставки зазвичай залишаються несуттєвими для людини. Однак Вей та її колеги помітили, що геном ракових клітин наділений вставками мтДНК в десять разів частіше, ніж геном нормальних клітин. Це може свідчити про те, що в пухлинах нормальні механізми контролю більше не працюють належно, тож мітохондріальна ДНК частіше потрапляє до ядра. Однак можливо, що вставки сприяють виродженню клітин, пояснили науковці.
Nadja Podbregar
Mitochondrien-DNA torpediert Lehrmeinung
Nature, University of Cambridge, 7/10/2022 doi: 10.1038/s41586-022-05288-7
24.10.2022