Ученый-пионер митохондриальной биологии Дуглас С. Уоллес, доктор философии.D., обобщает доказательства важности митохондрий в провокационной статье «Перспектива», опубликованной сегодня в журнале Cell.
Митохондрии, находящиеся в большом количестве вне ядра каждой клетки, содержат свою собственную ДНК с уникальными особенностями, которые «могут потребовать переоценки некоторых из наших основных предположений о генетике и теории эволюции человека», — заключает Уоллес, директор Центра митохондриальных и генетических исследований. Эпигеномная медицина в Детской больнице Филадельфии.
Уоллес исследовал митохондрии более 40 лет.
В 1988 году он первым показал, что мутации в митохондриальной ДНК (мтДНК) могут вызывать наследственные заболевания человека. Его исследования были сосредоточены на том, как мутации мтДНК способствуют возникновению как редких, так и распространенных заболеваний, нарушая биоэнергетику — химические реакции, генерирующие энергию на клеточном уровне.
Уоллес и его коллеги ранее показали в конце 1970-х годов, что митохондриальная ДНК человека передается исключительно от матери.
Затем они использовали эти знания, чтобы реконструировать древние миграции женщин, сравнивая различия в мтДНК среди популяций по всему миру. На основе таких исследований ученые пришли к выводу, что люди возникли в Африке около 200000 лет назад и что только две линии мтДНК успешно покинули Африку около 65000 лет назад, чтобы колонизировать остальной мир.
Основываясь на выводах из этих исследований миграции людей, Уоллес поднимает давний научный вопрос, поднятый дарвиновской эволюцией — как у людей, так и у других видов.
Когда субпопуляции переместились в изолированные районы, как они оставались изолированными в течение достаточно долгого времени, чтобы в ядерных генах возникли новые видо-определяющие признаки и стали обогащаться естественным отбором, чтобы разрешить видообразование??
Подавляющее большинство из 20 000 или около того наших генов существует в ДНК в ядре каждой клетки, в отличие от 13 генов, кодирующих белок внутри мтДНК.
Однако Уоллес утверждает, что мутации мтДНК обеспечивают более быструю и гибкую адаптацию к изменяющимся условиям, чем мутации ядерной ДНК. МтДНК имеет гораздо более высокий уровень мутаций, чем ядерная ДНК, что само по себе может поставить под угрозу выживание видов, потому что большинство мутаций ДНК вредны.
Однако мутации мтДНК изменяют физиологию на одноклеточном уровне. Следовательно, клетки яичника матери, несущие наиболее опасные мутации мтДНК, могут быть уничтожены естественным отбором до оплодотворения.
Таким образом, в популяцию вводятся только мягкие варианты мтДНК, часть которых может быть потенциально полезной.
Таким образом, высокая частота мутаций в мтДНК плюс отбор яичников предоставляют людям (и животным) мощный инструмент адаптации к изменениям окружающей среды, не подвергая опасности общую выживаемость популяции. Митохондриальная ДНК также обменивается сигналами с ядерной ДНК, и взаимодействие помогает управлять эволюцией физиологических процессов с течением времени. Уоллес утверждает, что популяции, которые расширяются в маргинальное пространство окружающей среды, адаптируют свою физиологию с помощью мутации мтДНК, чтобы лучше использовать ограниченные источники пищи и другие ресурсы в этой среде.
Это позволяет длительное время занимать маргинальную среду, давая достаточно времени для мутаций ядерной ДНК для создания анатомических структур, подходящих для использования более обильных пищевых ресурсов в новой среде.
В поддержку этой гипотезы Уоллес предполагает, что вариация митохондрий может привести к решающим энергетическим компромиссам. На клеточном уровне митохондрии превращают кислород и питательные вещества в богатый энергией химический АТФ, а также выделяют тепло. В тропическом климате этот процесс связывания максимально эффективен, позволяя более эффективно производить АТФ с минимальным выделением тепла.
В Арктике преобразование пищи в АТФ менее эффективно, требуя большего количества калорий для того же количества АТФ, а это генерирует больше тепла. Таким образом, разные модели вариации мтДНК, вероятно, полезны в теплом и холодном климате. Точно так же некоторые варианты мтДНК обогащены в тибетских популяциях, что позволяет предположить, что вариации мтДНК могут способствовать адаптации к низкому напряжению кислорода на большой высоте.
Уоллес также цитирует многочисленные исследования, которые показывают, что региональные вариации мтДНК коррелируют со склонностью к широкому спектру метаболических и дегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера и Паркинсона, диабет, ожирение и сердечно-сосудистые заболевания.
Биологам давно известно, что адаптации, дающие преимущество в одной среде, могут стать менее полезными в другой среде. Уоллес предполагает, что важным фактором этого явления может быть физиологическая адаптация вариации мтДНК. Он постулирует, что по мере миграции населения и глобализации моделей питания люди с мтДНК, оптимизированные для одной среды, в которой они едят пищу из стран Африки к югу от Сахары, могут быть плохо адаптированы к другой среде, где они могут потреблять пищу из Центральной Европы. «Поскольку митохондрии играют столь важную роль в нашей физиологии, изменения в митохондриальной ДНК могут иметь огромное влияние на биологию человека», — добавляет он.
Фонд Саймона и Национальные институты здравоохранения (гранты NS021328 и CA182384) поддержали это исследование.
Помимо должности главного специалиста по технике безопасности, Уоллес работает на факультете Медицинской школы Перельмана в Университете Пенсильвании.