Почему митохондрии сохраняют собственный геном?
Эукариотическая жизнь зависит от митохондрий, которые снабжают клетку энергией в виде АТФ. За тысячелетия их геномы эволюционировали в сторону минимального набора генов, но причина, по которой часть генов осталась в митохондриях, а не была перенесена в ядро, оставалась неясной.
Международная группа исследователей выдвинула гипотезу: митохондриальный геном кодирует гидрофобные мембранные белки, которые, будучи закодированными в ядре, были бы распознаны сигнальной частицей (SRP) и ошибочно направлены в эндоплазматический ретикулум (ЭПР). Результаты исследования, подтверждающего эту идею, опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Метод и ключевое открытие
Чтобы предсказать, будет ли белок мишенью для SRP, учёные рассчитали энергию свободной вставки трансмембранных белков. Белки с оценкой ноль или менее считались гидрофобными.
- Исследователи предсказали, что если гидрофобный трансмембранный домен (TMD) имеет хвост длиннее 120 аминокислот, SRP арестует его и направит в ЭПР.
- Экспериментальная экспрессия таких белков в цитоплазме клетки подтвердила этот механизм.
Последствия неправильной локализации
Направление этих гидрофобных белков в растворимую среду ЭПР приводило к образованию аномальных сотоподобных структур, похожих на те, что наблюдаются при вирусных инфекциях.
«Мы заключаем, что гены гидрофобных мембранных белков длиной более 120 аминокислот, вероятно, сохраняются в геномах отдельных органелл, чтобы обеспечить их правильную локализацию и избежать транспорта в эндоплазматический ретикулум», — пишут авторы.
Таким образом, отбор против неправильного направления гидрофобных белков в ЭПР стал ключевым ограничивающим фактором для сохранения митохондриального генома. Аналогичные мембранные динамики подтверждают этот вывод для хлоропластов растений.
Согласованность с предыдущими работами и объяснение исключений
Результаты согласуются с более ранними данными о том, что до трети митохондриальных белков эволюционировали под влиянием среды и многие связаны с мембранными функциями. Исследование также даёт объяснение редким случаям переноса митохондриальных генов в ядро: в этих конкретных видах данные белки демонстрируют пониженную гидрофобность.
Клиническое значение
Полученные данные могут помочь в разработке методов лечения митохондриальных генетических заболеваний человека, таких как наследственная оптическая нейропатия Лебера.
«Эти результаты разрешают давний вопрос о том, почему аэробным митохондриям и фотосинтезирующим хлоропластам, в основном, нужен отдельный компартментный геном, хотя могут быть задействованы и другие факторы», — заключают авторы.