Изучая процесс оплодотворения клетки биологи решили, что сперматозоид вносит в получающийся после оплодотворения эмбрион только ДНК, а протоплазма клеток и митохондрии этого эмбриона происходят только от матери. До недавнего времени считалось, что митохондрии наследуются потомками только от матери, хотя хорошо известно, что в сперматозоидах есть немного протоплазмы и есть митохондрии отца. Ясно, что в родственной популяции митохондрии отца и матери идентичны, то есть исследовать как бы и нечего. Но вот в связи с мировым смешением народов стало нарастать количество самых разных наследственных заболеваний. В том числе были выявлены митохондриальные заболеавния.
Митохондриальные заболевания обусловлены генетическими, структурными, биохимическими дефектами митохондрий, приводящими к нарушениям тканевого дыхания. Это очень тяжелые болезни: митохондриальный сахарный диабет, сопровождающийся глухотой (DAD, MIDD, синдром MELAS); наследственная оптическая нейропатия Лебера (en:Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON)), характеризующийся потерей зрения в раннем пубертатном периоде; синдром Вольфа-Паркинсона-Уайта (en:Wolff-Parkinson-White syndrome) рассеянный склероз и подобные ему заболевания; синдром Лея (Leigh) или подострая некротизирующая энцефаломиопатия. Эта болезнь сопровождается быстрой потерей функций организма и характеризуется судорогами, нарушенным состоянием сознания, деменцией, остановкой дыхания нейропатия, атаксия, retinitis pigmentos и птоз en:Neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa, and ptosis (NARP): прогрессирующие симптомы нейропатии, атаксии, туннельное зрение и потеря зрения, птоз, деменция; митохондриальная нейрогастроинтенстинальная энцефалопатия en:Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy (MNGIE): гастроинтестинальная псевдообструкция и кахексией, нейропатия, энцефалопатия с изменениями белого вещества головного мозга
Причины митохондриальных болезней обычно искали только в наследственности самих митохондрий, но вдруг выявили, что иногда проблема в том, что в клетках больных выявляется смесь материнских и отцовских митохондрий.
Авторы новой статьи из Тайваня, опубликованной в PNAS, исследовавшие пациентов с подозрением на митохондриальные заболевания и обнаружившие в клетках больных выявляется смесь материнских и отцовских митохондрий.поделились своим открытием с миром, но причину явления не рискнули выявить или декларировать. А причина именно в смешении народов.
Первый пациент (они называют его А) страдал усталостью, мышечной слабостью и болями — характерная для митохондриальных болезней симптоматика. У одной из его сестер была задержка речи, у деда — сердечный приступ, а у матери — нейропатия, однако ни в одном случае врачи не заподозрили митохондриальных причин. В процессе секвенирования ДНК оказалось, что у пациента А нет никаких характерных мутаций, но необычайно высокий уровень гетероплазмии: 21 вариант последовательности встречался примерно в 60% митохондрий клетки, и еще 10 вариантов — 40%. Такая же ситуация обнаружилась и у ближайших родственников пациента А: сестер и матери (рис. 2). Получается, что мать пациента А унаследовала митохондрии от обоих родителей, а потом передала всю эту смесь детям (без участия митохондрий их отца). Секвенирование митохондриальных ДНК других членов семьи А показало похожую картину. Еще в двух ветвях того же семейства матери унаследовали митохондрии от обоих родителей, а затем передали эту гетероплазмию детям без участия отцов.
Позже авторы статьи обнаружили еще двух пациентов с похожими семейными историями. Пациент В — взрослый мужчина с задержкой развития, хронической усталостью, диабетом и врожденным пороком сердца. Пациент С — взрослая женщина с синдромом Гийена-Барре (аутоиммунное поражение нервной системы), хронической усталостью, рассеянными болями и эпизодическими приступами лихорадки. В их семьях прослеживается похожая картина наследования (рис. 3): некоторые дети наследуют от каждого из родителей по комплекту митохондрий (закрашены черным). Если эти дети женского пола, то дальше они передают потомству только смесь родительских митохондрии (закрашены штриховкой), к ним не присоединяются митохондрии мужа. Если же эти дети мужского пола, то их дети часто тоже получают смесь митохондрий от обоих родителей.
Рис. 3. Генеалогические деревья пациентов В (слева) и С (справа), эти пациенты указаны стрелками. Обозначения те же, что и на рис. 2. Цифры внутри фигуры — количество братьев или сестер. Треугольник — выкидыш. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS
Сперматозоид сильно меньше яйцеклетки, и даже если бы все его митохондрии попали внутрь при оплодотворении, они составили бы меньше процента от всех митохондрий зиготы. Тем не менее, у пациентов из обсуждаемой статьи находят десятки процентов отцовских митохондрий. Значит, помимо способности выживать в цитоплазме яйцеклетки, они должны приобрести способность активно размножаться, чтобы составить конкуренцию материнским митохондриям и потеснить их позиции. Таким образом, речь идет, скорее всего, о выгодном сочетании нескольких мутаций.
Эта работа, конечно, как и все умные работы, возможно и произведёт революцию в генетике, но только в отдалённом будущем, когда в науку придёт новое поколение исследователей, не связанных догмами довлеющими над биологами сегодня. Но всё же уже можно смеяться, например, над построением митохондриальных деревьев и поисками “митохондриальной Евы”.
****
Но в статье в Nature Communications предлагается альтернативное объяснение этому феномену. По мнению авторов, отцовская ДНК могла быть расположена не в самих митохондриях, а в ядерном геноме. Гигантская вставка митохондриальной ДНК (мтДНК) создает иллюзию присутствия отцовских митохондрий, тогда как на самом деле их нет. Откуда были унаследованы митохондрии определялось по последовательностям ДНК. В нескольких образцах часть ДНК совпадала с последовательностями материнских митохондрий, а часть — с последовательностями отцовских, из чего исследователи сделали вывод, что митохондрии в клетки этих людей попали от обоих родителей. Эта неожиданная находка противоречит догме, говорящей о том что у людей эти органеллы всегда передаются только от матери. Сосуществование митохондрий из двух источников невыгодно с эволюционной точки зрения, такие случаи редки в животном мире и часто сопровождаются патологиями.
Вей Вей (Wei Wei) и его коллеги из Кембриджского университета проанализировали 11035 троек геномов мать-отец-ребенок, отсеквенированных в рамках проекта по редким заболеваниям, и нашли — вдобавок к трем уже найденным — еще семь случаев сожительства материнской и отцовской мтДНК в ребенке. На начальных стадиях анализа ДНК их было еще больше, но исследователи сфокусировались только на образцах с «полной» отцовской ДНК. Они определили участки, по которым отцовкая ДНК отличается от материнской, и брали в анализ только тех детей, у которых нашлось больше 95 процентов таких уникальных участков ДНК.
Желтым отмечены последовательности общие для ребенка, матери и отца, красным – для отца и ребенка, а синим – те, что встречаются только у отца
Wei Wei et al. / Nature Communications 2020
Подтвердив, что у потомков действительно может находиться мтДНК отцов, исследователи выяснили, откуда она появилась. Они усомнились в том, что ее находка связана с непосредственным присутствием отцовских органелл и предложили альтернативное объяснение: горизонтальный перенос генов из митохондрии в ядро у отцов. Случаи, когда ДНК из органелл «перепрыгивает» в ядерный геном, широко распространены. Более того, большая часть исходных митохондриальных генов уже перекочевала туда на ранних стадиях коэволюции предков митохондрий и эукариотических клеток. Несмотря на то, что активно работающие гены были перенесены уже давно, новые нефункциональные вставки появляются до сих пор. По-видимому, копирование мтДНК в ядерный геном произошло у отцов, а затем эти копии — уже в составе ядерного генома — достались детям.
Исследователи обнаружили в образцах места «склейки», маркирующие концы встроившейся митохондриальной ДНК. Эти «химерные» последовательности, у которых один конец совпадает с ядерным геномом, а другой с митохондриальным. С их помощью ученым удалось по-максимуму восстановить то, как именно получились вставки. Оказалось у них бывает достаточно сложная структура: это не просто небольшие куски мтДНК, а крупные склеенные между собой последовательности.
Схема вставки мтДНК в ядерный геном
Wei et al. / Nature Communications
Эти крупные вставки, названные авторами mega-NUMTs (NUclear MiTochondrial DNA), вполне могут «мимикрировать» под настоящие отцовские митохондрии, но на деле ими не являются, и настоящие митохондрии ребенка унаследованы — как обычно — от матери.
Автор Вера Мухина.
Впрочем, альтернативное объяснение вовсе не объясняет почему именнов в клетках больных митохондриальными болезнями выявляется смесь материнских и отцовских митохондрий.
Рис. 2. Генеалогическое древо пациента А (отмечен стрелкой). Обозначения: квадрат — мужской пол, круг — женский пол, ромб — пол неизвестен, перечеркнутые фигуры — умершие родственники. Черным показаны люди, унаследовавшие митохондрии от обоих родителей, штриховкой — люди, унаследовавшие смесь митохондрий, но только от матери. Римскими цифрами обозначены поколения. Цифры под фигурами — нумерация родственников. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS