Израильские ученые обнаружили первое животное, митохондрии которого лишены ДНК. Этим животным оказалось маленькое беспозвоночное Henneguya salminicola из группы стрекающих. Его митохондрии потеряли способность производить собственные белки и дышать с помощью кислорода, поэтому и митохондриями в строгом смысле слова их назвать нельзя. Вместе с ними из ядерного генома исчезло большинство генов, отвечающих за эти процессы. Причиной потери митохондрий стала, вероятно, жизнь в бескислородной среде — Henneguya salminicola паразитирует внутри организма червей и рыб, где совершенно необязательно уметь полноценно дышать. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Одним из важных этапов в происхождении эукариот («ядерных» организмов) стало приобретение митохондрий. Судя по всему, когда-то они были бактериями, но потом поселились внутри будущих эукариотических клеток и постепенно утратили автономность. У современных эукариот митохондрии еще способны размножаться и дышать (то есть с помощью кислорода добывать энергию из органических молекул), но не могут полностью себя обеспечивать. Несмотря на то, что они сохранили остатки бактериальной ДНК, часть белков им приходится получать из цитоплазмы клетки, а соответствующие гены мигрировали в ядерный геном.

Долгое время считалось, что митохондрии свойственны абсолютно всем эукариотам. Однако в 2016 году чешские ученые описали первого эукариота, полностью лишенного митохондрий, — протиста Monocercomonoides, которого они выделили из кишечника шиншиллы. Кроме того, к тому времени уже было известно, что у многих одноклеточных эукариот, которые живут в бескислородной среде, митохондрии частично потеряли свои функции. При этом они изменились до неузнаваемости, превратившись в митохондриеподобные органеллы — мембранные пузырьки без ДНК, рибосом и крист (складок внутренней мембраны, которые необходимы для кислородного дыхания). Некоторые из них называют митосомами (они потеряли все функции, кроме нескольких ферментов), другие — гидрогеносомами (они научились получать энергию без кислорода, на выходе производя водород).

Тем не менее, до сих пор все эти превращения митохондрий были известны только для одноклеточных протистов. У многоклеточных животных неизменно обнаруживали полноценными митохондрии. Теперь же группа ученых из Университета Тель-Авива под руководством Доротеи Юшон (Dorothée Huchon) представила полные доказательства того, что животные, в том числе многоклеточные, тоже могут быть лишены митохондрий. Объектом их исследования стали миксозои — паразитические стрекающие. По сравнению со своими более известными родственниками — гидрами и медузами — миксозои пошли по пути радикального упрощения. В их организме осталось всего три типа клеток, а на некоторых стадиях развития они представляют собой одну большую многоядерную клетку, из-за чего их долгое время вообще не признавали многоклеточными.

В течение своего жизненного цикла миксозои поочередно паразитируют на рыбах и кольчатых червях, почти все время проводя в анаэробных условиях. Чтобы выяснить, что при этом происходит с их митохондриями, исследователи сравнили два близких пресноводных вида, которые паразитируют на лососевых рыбах — Henneguya salminicola и Myxobolus squamalis.

Отсеквенировав их геномы, ученые обнаружили у M. squamalis типичную кольцевую митохондриальную ДНК, но у H. salminicola ее найти не удалось. Это могло быть следствием неточной сборки отсеквенированного генома, поэтому исследователи подтвердили свои наблюдения с помощью микроскопии. Обработав клетки миксозой красителем DAPI, который избирательно связывается с ДНК, они заметили, что у H. salminicola окрашиваются только ядра, в отличие от M. squamalis, у которой можно заметить маленькие пятна митохондриальной ДНК. В то же время с помощью электронной микроскопии они подтвердили, что в клетках H. salminicola есть структуры, визуально похожие на митохондрии — двумембранные мешочки со складками внутренней мембраны.

Слева: окрашивание на ДНК. А - M. squamalis (видны митохондрии), В - H. salminicola (только ядерная ДНК). Справа: С - электронная микроскопия, митохондриеподобная органелла в клетке H. salminicola. Yahalomi et al. / PNAS, 2020 Поделиться







Чтобы выяснить, какие функции еще способны выполнять митохондрии H. salminicola, ученые проверили, сколько генов, которые когда-то были митохондриальными, сохранилось в их ядерной ДНК. Оказалось, что среди генов, связанных с обменом веществ, уцелел 51 ген (и 57 у M. squamalis). Правда, из генов, связанных с дыханием, в ядерной ДНК H. salminicola остались всего 7 (у других миксозой их 18-25), причем «потерялись» именно те, которые кодировали белки для транспорта электронов и связывания кислорода. И среди 58 генов, которые отвечают за копирование митохондриальной ДНК у миксозой, у H. salminicola остались лишь 6 (у M. squamalis — 41). Это означает, что «упрощенные» митохондрии H. salminicola не полностью утратили свои функции: они способны, например, расщеплять углеводы, но не могут получать энергию с использованием кислорода, а также производить собственные митохондриальные белки.

Важной находкой для ученых стал ген, который кодирует одну из субъединиц полимеразы — белка, который должен копировать ДНК в митохондриях. В ядерном геноме H. salminicola этот ген превратился в псевдоген — в нем возникли три точечные мутации, которые мешают ему работать. Это означает, что предыдущие результаты — не артефакты секвенирования, и гены, необходимые для размножения митохондрий, когда-то действительно были в ядре H. salminicola.

Таким образом, в клетках H. salminicola находится митохондриеподобная органелла. У нее больше функций, чем у митосомы, и на гидрогеносому она тоже непохожа, но и полноценной митохондрией назвать ее нельзя из-за отсутствия генома и неспособности дышать с использованием кислорода. Судя по всему, митохондриальные гены пали жертвой упрощения: по сравнению с другими стрекающими, миксозои потеряли большинство органов и клеточных типов и, не останавливаясь на этом, начали избавляться от «лишних» генов в ядре и других органеллах. А способствовало этому окружение внутри их организмов-хозяев — внутри белых мышц рыбы кислорода совсем немного, и для того, чтобы там выжить, совсем необязательно уметь полноценно дышать.

Теперь мы знаем, что и среди многоклеточных животных встречаются организмы без настоящих митохондрий. Скорее всего, это не последнее открытие на этом пути: следующими могут стать некоторые анаэробные черви и морские лорициферы. У них подозревают наличие гидрогеносом — но пока только на основании микроскопии, генетическое подтверждение этих догадок еще только предстоит получить.

Недавно ученые обнаружили дышащие митохондрии в крови человека, отдельно от клеток. Также они выяснили, что внутри клеток эти органеллы могут разогреваться до 50 градусов по Цельсию, а удаление их помогает клеткам не стареть.

Полина Лосева