Ученые нашли потомков первых митохондрий

Более миллиарда лет назад одна простая клетка оказалась в ловушке внутри другой и не смогла выбраться, а ее потомки превратились в митохондрии, так называемые электростанции клеток.

Бактериальные родственники этой первой захваченной клетки — протомитохондрии, как называют их исследователи, — можно найти плавающими в современных горячих источниках, предполагает новое исследование.

Протомитохондрии дали начало клеточному энергетическому центру эукариот — всех животных, растений, грибов и протистов, чьи клетки содержат структуры, называемые органеллами, которые выполняют специфические функции. Хотя у митохондрий все еще есть их собственная ДНК, доступная для анализа, исследователи окончательно не определили, какие виды современных бактерий могут произойти от протомитохондрий.

В новом исследовании, опубликованном 9 августа в журнале "Science Advances", исследователи сосредоточились на генетических признаках, которые позволяют бактериям выполнять определенные функции, необходимые для протомитохондрий, например, вырабатывать жиры для митохондриальных мембран. Используя эти генетические критерии, исследователи точно определили тип бактерий, которые произошли от протомитохондрий и которые живут в условиях, сходных с жизнью в древних океанах Земли.

За 1,6-1,8 миллиарда лет, прошедших с момента появления митохондрий, генетическая сигнатура протомитохондрий "была разбавлена, перемешана и ... от нее осталось совсем немного", - комментирует Мауро Дельи Эспости, старший автор статьи и исследователь Центра геномных наук при Национальном автономном университете Мексики. По его словам, из-за этого команда применила подход, который полагался не только на генетические последовательности.

Исследователи просеяли хранилище из 314 геномов alphaproteobacteria — класса бактерий, из которого, как предполагают исследования, произошли протомитохондрии, — в поисках генов, которые кодировали незаменимые белки. По словам Дельи Эспости, некоторые из наиболее важных этих генов служат той же цели, что и те, которые используются митохондриями для производства энергии с использованием кислорода, а также без кислорода.

Для создания определенных жиров, включая кардиолипины, понадобились бы другие гены. Эти жиры содержатся в прокариотах — организмах, в клетках которых отсутствуют органеллы, — а также в мембранах митохондрий и некоторых воскообразных молекулах эукариот.

Бактерии из отряда Iodidimonadales соответствовали наибольшему числу этих генетических критериев, что привело исследователей к мысли, что эти бактерии могут быть тесно связаны с протомитохондриями. Эти бактерии обитают в самых разных местах, включая пресноводные и океанические геотермальные источники, экстремальные условия, подобные тем, которые обнаружены в океанах Земли почти 2 миллиарда лет назад. 

Бактерии Iodidimonadales ранее не были отмечены как потенциальные потомки протомитохондрий и не обладают всеми признаками, которые исследователи считали необходимыми. Команда объясняет это "латеральным переносом генов", процессом, который бактерии используют для передачи генов друг другу, и способом, которым они могут терять гены с течением времени.

Лучшее понимание того, как эволюционировали митохондрии, потенциально может помочь нам понять заболевания, при которых нарушается функция митохондрий, такие как болезнь Паркинсона, сказал Дельи Эспости. Помимо медицинского применения, изучение происхождения митохондрий может помочь нам понять, как возникла вся сложная жизнь, включая людей.