Ядрышки и структура жизни

В методе создания эмбрионов от трёх родителей, который потенциально может решить проблему ряда митохондриальных болезней, часто используется аргумент, что донор митохондрий передаёт ребёнку лишь 16.6 тыс. пар оснований (п.о.) мтДНК — ничтожно мало по сравнению с 3.4 млрд п.о. ядерной ДНК. Однако это скрывает тот факт, что с учётом примерно 10 копий плазмиды на митохондрию и 100 тыс. митохондрий в яйцеклетке, общее количество мтДНК достигает 16.5 млрд п.о., что больше, чем в ядре.

Детальная структура митохондриального нуклеоида (комплекса мтДНК с белками) до сих пор неясна. Новое исследование в Cell Reports описывает реконструкцию таких нуклеопротеиновых комплексов in vitro из минимальных компонентов. Учёные показали, что точно регулируя концентрацию белка TFAM (митохондриальный фактор транскрипции A), можно контролировать репликацию и транскрипцию мтДНК.

Ранее та же группа создала минимальный реплисом мтДНК in vitro и установила, что хеликаза Twinkle работает на репликационной вилке. Полимераза POLγ в одиночку не может использовать двуцепочечную ДНК как матрицу, но в комбинации с Twinkle синтезирует одноцепочечную ДНК длиной до 2 т.п.о. Добавление белка mtSSB позволяет получать продукты длиной около 16 т.п.о. — как целая мтДНК млекопитающих.

Используя этот реплисом и флуоресцентно-меченый TFAM, исследователи с помощью оптического пинцета и атомно-силовой микроскопии обнаружили, что высокое соотношение TFAM:мтДНК приводит к образованию стабильных филаментов TFAM. Они уплотняют ДНК и снижают прогрессию комплексов репликации и транскрипции. Небольшие изменения концентрации TFAM сильно влияли на среднюю степень компактизации.

Механизм действия TFAM не до конца ясен. Он кооперативно связывается с неспецифическими последовательностями ДНК, покрывая примерно 30 п.о. на мономер. Как фактор транскрипции, он также, по-видимому, специфически связывается с промоторами, формируя U-образную структуру. In vivo оценки показывают примерно одну молекулу TFAM на 15–18 п.о. мтДНК.

Компактизация, вероятно, происходит из-за частичного расплетания двойной спирали ДНК, что влияет на её топологию — twist (число витков спирали) и writhe (число перехлёстов двойной спирали). В норме мтДНК отрицательно суперскручена (слегка расплетена).

В расчётах общего количества мтДНК на клетку для эмбрионов от трёх родителей предполагалось, что каждый нуклеоид содержит одну копию молекулы мтДНК. Это требует подтверждения, так как полная динамическая природа нуклеоидов ещё не изучена. Ранее высказывались опасения о потенциальной несовместимости мтДНК при таком методе, поскольку наши ядерные гены оптимально совместимы с нашими митохондриями на индивидуальном уровне.

Эта работа критически важна для понимания того, что на самом деле контролирует клетку, а в случае половых клеток — и нас самих. Множественная репликация ключевой мтДНК по всей клетке, вероятно, даёт эволюционные преимущества для жизни.