Мухи-мутанты используют все способы для преодоления генетической мутации в митохондриях
Новое исследование Университета Небраски-Линкольн показало, как личинки плодовой мушки (Drosophila) с, казалось бы, фатальным дефектом выживают и достигают взрослой стадии.
В клетках мух, как и всех многоклеточных организмов, есть два генома: в ядре и в митохондриях. Они содержат взаимодополняющие инструкции для сборки важного молекулярного конвейера в клетках — цепи переноса электронов. Этот конвейер передаёт электроны вдыхаемому кислороду и помогает генерировать клеточную энергию (ATP), необходимую для жизнедеятельности.
Однако определённая генетическая мутация в митохондриальной ДНК нарушает её «инструкцию», в результате чего производимые митохондриями части не стыкуются с ядерными. Это мешает работе конвейера на оптимальной эффективности и затрудняет кислородное производство энергии (аэробное).
Казалось бы, такая мутация должна быть смертельной для мух, но этого не происходит.
Исследователи Омера Мату и Кристи Монтут изначально не планировали изучать этот вопрос. Они собирали контрольные данные по развитию личинок четырёх генетических линий мух (три обычных, одна мутантная) для сравнения с развитием в присутствии этанола — побочного продукта гниющих фруктов, которыми они питаются.
«Затем контрольная группа вышла из-под контроля», — сказала Монтут, доцент биологических наук.
Метаболизм линий по-разному менялся в трёх фазах развития личинок. Например, некоторые личинки второй фазы производили ATP способами, характерными для третьей фазы, и наоборот. Это побудило учёных детальнее сравнить четыре линии, что раскрыло механизмы выживания мутантной линии с неисправными митохондриями.
- Усиление аэробного производства. Три обычные линии, как и ожидалось, переходили на кислородное производство ATP на поздних стадиях развития. Мутантная линия, несмотря на неисправный конвейер, ещё больше усилила аэробную активность, чтобы компенсировать её неэффективность.
- «Короткое замыкание» митохондрий. Неисправное оборудование производило много энергии, но также приводило к накоплению побочного продукта — перекиси водорода (H2O2), повреждающей клетки. В ответ клетки позволили большему количеству положительно заряженных протонов просачиваться через мембраны митохондрий, по сути, «закорачивая» органеллу, чтобы предотвратить летальное накопление H2O2.
- Активация анаэробного цикла. Параллельно с усилением кислородозависимой активности, мутантные клетки активировали и бескислородный (анаэробный) цикл производства ATP. Такой подход обычно является последним средством клеток без доступа к кислороду или используется раковыми клетками.
Мату сравнила эту двойную стратегию ATP со студентом, который отчаянно нуждается в высшем балле и для этого и усердно учится регулярно, и усиленно зубрит в последнюю ночь.
«Эти личинки должны завершить своё развитие. Но поскольку у этой линии есть дефект, она использует… практически всё. Она читает три часа в день, а потом ещё и тянет всю ночь. Так что она делает всё возможное для достижения той же цели, что очень интересно, потому что говорит: в природе нет единственного решения проблемы», — пояснила Мату, постдок в области биологических наук.
Хотя такой «всеспасающий» подход работает в краткосрочной перспективе, в долгосрочной он имеет последствия: мутанты менее плодовиты, и взрослые самки откладывают примерно на 50% меньше яиц. Однако тот факт, что взрослые мутанты в остальном выглядят и ведут себя как обычные мухи, говорит о силе адаптивности развития.
«Мы склонны думать, что развитие идёт только одним путём, и особенно у мух оно очень быстрое, почти детерминированное. Поэтому, думаю, многих удивит, что существует генетическая вариация в сроках того, что кажется критическим переключением в метаболизме», — отметила Монтут.
