Гени, що залишилися в ході еволюції в «енергетичних станціях клітини», допомагають уникнути проблем в управлінні: якщо в мітохондрії щось зламається, вона може полагодити це сама, не чекаючи дозволу з «центру».
Наші клітини отримають енергію за допомогою особливих органелл, званих мітохондріями, яких часто так і називають енергетичними станціями клітини. Зовні вони виглядають як цистерни з подвійною стінкою, причому внутрішня стінка дуже нерівна, з численними сильними заплямуваннями.
У мітохондріях відбувається величезна кількість біохімічних реакцій, під час яких «харчові» молекули поступово окислюються і розпадаються, а енергія їх хімічних зв'язків запасається в зручній для клітини формі. Але, крім того, у цих «енергетичних станцій» є своя ДНК з генами, яку обслуговують власні молекулярні машини, що забезпечують синтез РНК з подальшим синтезом білка.
Вважається, що мітохондрії в дуже далекому минулому були самостійними бактеріями, яких їли якісь інші одноклітинні істоти (з великою ймовірністю, археї). Але одного разу «хижаки» раптом перестали перетравлювати проглочених протомітохондрій, утримуючи їх всередині себе. Почалося довге притирання симбіонтів один до одного; у підсумку ті, кого проковтнули, сильно спростилися в будові і стали внутрішньоклітинними органелами, а їхні «господарі» отримали можливість за рахунок більш ефективної енергетики розвиватися далі, у все більш і більш складні форми життя, аж до рослин і тварин.
Про те, що мітохондрії колись були самостійними, говорять залишки їх генетичного апарату. Зрозуміло, якщо живеш всередині на всьому готовому, необхідність утримувати власні гени зникає: ДНК сучасних мітохондрій в людських клітинах містить всього 37 генів - проти 20-25 тисяч тих, що містяться в ядерній ДНК. Багато з мітохондріальних генів за мільйони років еволюції перебралися в клітинне ядро: білки, які вони кодують, синтезуються в цитоплазмі, а потім транспортуються в мітохондрії. Однак тут же виникає питання: а чому 37 генів все-таки залишилися там, де були?
Мітохондрії, повторимо, є у всіх еукаріотичних організмів, тобто і у тварин, і у рослин, і у грибів, і у найпростіших. Іан Джонстон (Iain Johnston) з Бірмінгемського університету і Бен Вільямс (Ben P. Williams) з Інституту Вайтхеда проаналізували понад 2 000 мітохондріальних геномів, узятих у різних еукаріот. За допомогою особливої математичної моделі дослідники змогли зрозуміти, які з генів в ході еволюції були більш схильні залишатися в мітохондріях.
Ми знаємо, що центральна роль у видобутку енергії належить групі білків, що входять в так званий електронтранспортний ланцюг: будучи вбудовані у внутрішню стінку-мембрану мітохондрій, вони переносять один від одного електрони, відірвані від окислюваної «харчової» молекули, з тим, щоб зрештою віддати їх кисню. У деталі роботи цього комплексу ми вдаватися не будемо, скажімо лише, що тут є білки, що виконують в ході електронного перенесення основні операції, і є ті, які знаходяться як би на периферії процесу. І ось, як виявилося, гени, які кодують головні білки, з найбільшою ймовірністю в ході еволюції залишаються в мітохондріях; менш головні часто відправляються в ядерний геном.
Але саме по собі слово «головні» нічого (і, додамо, ніколи) не пояснює. Чому саме такі білки повинні синтезуватися, так би мовити, за місцем своєї роботи? У статті в Cell Systems автори наводять кілька пояснень. По-перше, білки, які сидять у мембранах, мають деякі фізико-хімічні особливості: одна частина їх молекули гідрофільна, тобто легко взаємодіє з водою, інша ж - гідрофобна.
Часткова гідрофобність потрібна для того, щоб білок зміг сидіти в мембрані, а клітинна мембрана - це подвійний шар ліпідів, і в ньому може закріпитися тільки така молекула, яка не буде «любити» воду, але буде «любити» жир, ліпіди, олію. Потрапляючи у водне середовище, гідрофобні білки шукають можливості сховатися від води, тобто шукають таких же, як вони, гідрофобів - зрозуміло, що їхні молекули починають злипатися один з одним. Клітина вміє поводитися з такими білками, але все одно - якщо їх синтезувати в одному місці, а потім везти до мітохондріям, великий ризик того, що «вантаж» злипнеться в грудку так, що не розліпиш. Простіше збирати їх прямо в мітохондріях.
По-друге, відомо, що мітохондрії - місце досить небезпечне з хімічної точки зору. Мітохондрії працюють з киснем, в якості побічних продуктів виходять кисневі радикали підвищеної агресивності, які легко можуть зіпсувати біологічні макромолекули, як білки, так і ДНК. Але ДНК залежно від нуклеотидного складу може бути як менш, так і більш стійка до пошкоджень. І ось гени, чия послідовність була особливо чутлива до агресивного середовища в мітохондріях, були змушені піти в ядро.
По-третє, через ті ж складні умови, про які ми щойно сказали, білкові комплекси електронтранспортного ланцюга часто ламаються. Мітохондрій же в клітці багато. Якби інформація про мітохондріальні білки полягала в ядрі, то клітина не могла б швидко реагувати на те, що деякі з «енергетичних станцій» вийшли з ладу. Те, що деякі гени залишилися в самих мітохондріях, дозволяє усунути поломку - або просто відрегулювати активність органели - не чекаючи «санкції центру». Іншими словами, за рахунок часткового генетичного самоврядування мітохондрій клітина уникає управлінських проблем.
Однак незважаючи на те, що мітохондріальні гени залишилися там, де залишилися, вони можуть впливати на гени ядра: деякий час тому співробітники Массачусетського технологічного інституту виявили, що гени мітохондрій здатні маскувати ефекти від мутацій, які потрапили в хромосомні гени.
Звичайно, було б дивно, якби мітохондрії, проеволюціонувавши так довго разом з клітинами-господарями, не навчилися хоч якось впливати на молекулярно-генетичні процеси в ядрі. Якщо врахувати, як багато всього в житті будь-якого еукаріотичного організму залежить від горезвісних «енергетичних станцій» (а мутації в мітохондріальній ДНК загрожують важкими захворюваннями, не кажучи вже про окислювальний стрес, невичерпним джерелом якого є мітохондрії), то очевидно, що мітохондріальні і хромосомні гени просто таки повинні весь час спілкуватися один з одним, незважаючи на відстані.
За матеріалами Science.