Резюме:

Мітохондрії - унікальні клітинні органели бактеріального походження, які мають власну ДНК. При заплідненні яйцеклітина вносить переважну більшість мітохондрій у дочірній організм, натомість мітохондрії сперматозоїда руйнуються. Це явище лежить в основі пренатальної діагностики мітохондріальних спадкових хвороб, а також концепції "мітохондріальної Єви". На початку XXI століття з'явилося декілька наукових публікацій щодо можливості успадкування мітохондрій та їхньої ДНК від батька. У статті наведено критичний аналіз цих повідомлень

Ключові слова:

мітохондрії, мітохондріальна ДНК, мітохондріальні захворювання, "мітохондріальна Єва", пренатальна діагностика, сперматозоїд, яйцеклітина, убіквітин

DOI
https://doi.org/10.37529/ztz.2020.6/6-2020-1

Життя кожного з нас починається з однієї клітини. Генетики кажуть, що половину генетичної інформації ми отримуємо від матері, а половину від батька. І це, звісно, правда. Як часто буває в біології, МАЙЖЕ правда. Якщо ж подивитися на ті дві вихідні клітини – яйцеклітину й сперматозоїд – то не тільки практикуючий ембріолог зверне увагу, що внесок, м'яко кажучи, нерівний. Велетенський для клітинного рівня ооцит (з колосальним діаметром у 0,1 мм!) несе в собі запас поживних речовин, білків і навіть готових матричних РНК для синтезу нових білків (ми писали про це в минулому номері), потрібних новому організму для десятка перших поділів упродовж украй важливих перших 6–12 днів до імплантації. А що сперматозоїд? Ядро, акросома, мембрана, хвостик-джгутик, кілька мітохондрій. Все. Інше дістається нам від матері, низький їй уклін за внесок. 

Насправді, науковці давно задумувалися: а нащо взагалі ті чоловіки потрібні? ДНК в ядрі приблизно однакова, то чоловіча половина генів теж не є критично необхідною. Тим паче відомо, що багато організмів живуть без самців узагалі. Самиці чималої кількості видів – від екзотичних коловерток, всюдисущих попелиць (то не маленька самиця попелиці прилетіла на світло вашої лампи, поки ви читаєте цю статтю?) до отруйних сколопендр та цілком близьких нам ящірок – розмножуються без самців, партеногенезом. Після мейозу яйцеклітина в одних тварин зливається з полярним тільцем, а в інших – подвоює ДНК без поділу. Інші організми – як то чимало рослин, медузи та равлики – є гермафродитами, де всі особини можуть виробляти статеві клітини обох типів. Залишається, щоправда, проблема рекомбінації та підвищення генетичного різноманіття через перемішування наборів генів у популяції, але її теж вирішують: равлики-гермафродити через перехресне запліднення, коловертки завдяки бактеріям, що тягають окремі гени між представницями популяції, попелиці ж заводять собі самців раз на пару десятків розмножень.

Утім переважна більшість тварин усе ж віддає перевагу генетичному внеску чоловіків, як важливому еволюційному механізму. Чим він важливий – існує декілька гіпотез (наприклад від Morran et al. doi: 10.1126/science.1206360 [1] чи Lumley et al.doi: 10.1038/nature14419 [2]). Але тут ми зупинимося на більш детальному аналізі цього внеску. Отже, майже порівну ДНК від матері та від батька. Це «порівну» стосується ядерної ДНК, а «майже» – цитоплазматичної. Адже в кожній клітині в нас досить багато ДНК поза ядром – у мітохондріях. Мітохондрії нам потрібні для повного розщеплення їжі та виділення великої кількості енергії з неї – клітинного дихання. Дослідники біологічної еволюції певні, що пару мільярдів років тому те, що є сьогодні мітохондрією, було цілком окремим організмом, бактерією, що вміла використовувати токсичний для інших тодішніх  мікроорганізмів кисень задля власних енергетичних цілей. А коли вже це була бактерія, то вона мала в собі все необхідне для незалежного життя: кільцеву ДНК, апарат синтезу білків за її генетичною програмою, мембрану, яка оточує клітинний вміст – бактеріальну цитоплазму. Все це мають і наші мітохондрії.

Така незалежність дає мітохондріям – внутрішньоклітинним структурам, або органелам – можливості, рівні клітинним. Мітохондрії можуть ділитися всередині клітини, що вони постійно й роблять. Наші клітини в середньому діляться зі швидкістю 1 поділ на добу, а ось бактерії в нашому кишечнику роблять це значно частіше – раз на 2–3 години, тобто 8–12 поділів на добу. Мітохондрії поділяються приблизно так, як і бактерії. Тому поки клітина, яка отримала лише половину мітохондрій клітини-попередниці, готується до наступного поділу, в неї вже повно мітохондрій, якими вона може поділитися з дочірніми клітинами. І в кожній є свої молекули ДНК.

Рис. 1. Мітохондрія в клітині та мітохондріальна ДНК

(Джерело https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondrial_DNA_lg.jpg, ліцензія CC-0)

 

Та скільки тієї ДНК? У гаплоїдному наборі – тобто в одній копії всіх генетичних послідовностей ДНК ядра людини знаходиться 3,3 мільярди нуклеотидних основ, літер генетичного алфавіту. А що в мітохондріях? Усього-на-всього 16 з половиною тисяч. Тобто ядерний геном більший за мітохондріальний в 200 тисяч разів. Чи варто взагалі розмовляти про одну двохсоттисячну частину чого завгодно? Варто, і ось чому.

По-перше, поломка навіть одного невеликого фрагменту ДНК – хоч ядерної, хоч мітохондріальної – може призвести до важкого захворювання чи навіть смерті людини. Заміна однієї єдиної літери-нуклеотида в генах білків гемоглобінів викликає серйозні захворювання крові – таласемію чи серпоподібноклітинну анемію (див. статтю в нашій колонці за лютий 2019 про клонування китайських близнюків). Відомі й спадкові захворювання, пов’язані з мутаціями в мітохондріальних ДНК. Серед них різноманітні нейропатії, атаксії, міопатії, ретинопатії. До чверті пацієнтів з синдромом Лея мають його причиною саме порушенням роботи білків, закодованих у ДНК мітохондрій. Недарма ж розробили й операцію штучного запліднення з трансфером ядра до цитоплазми без’ядерної яйцеклітини донора (сподіваємось, усі спеціалісти з теми в курсі, що українським ембріологам належить пальма першості в цій галузі?). 

По-друге, ядерна ДНК представлена лише двома копіями геному – диплоїдним набором, де кожної хромосоми дві штуки. Тоді як мітохондрій – тисячі чи десятки тисяч, і кожна має ДНК усередині. Таким чином загальна кількість мітохондріальної ДНК велика: досягає відсотків чи десятків відсотків від загальної кількості ДНК у клітині.

А скільки ж цієї мітохондріальної ДНК приносять (разом з мітохондріями) батько й мати? З яйцеклітиною зрозуміло: велетенська клітина, купа цитоплазми, близько сотні тисяч мітохондрій. Смерматозоїд значно менший, основна частина клітини зайнята ядром, попереду акросома, цитоплазма тонким шаром тісниться під мембраною. У сперматозоїді людини міститься 50-75 мітохондрій. Тобто різниця в 1500-2000 разів на користь яйцеклітини.

Але й це ще не все. Яйцеклітина може позбутися навіть тих десятків мітохондрій, які приносить сперматозоїд. Дослідники 80-х років минулого століття були переконані, що основа джгутика разом з хвостом сперматозоїда залишається за межами яйцеклітини при заплідненні. Навіть такий метр популяризації біології як Ричард Докінз у своїх книжках «Сліпий годинникар» і «Річка з Едему» помилково стверджував, що мітохондрії сперматозоїда не досягають цитоплазми ооцита. Сьогодні ми знаємо, що це не так, і навіть сам хвіст може потрапити в цитоплазму майбутнього зародка. Утім потрапити для мітохондрії – не значить залишитися. Як виявилося, деякі білки «чоловічих» мітохондрій (зокрема прогібітіни – мітохондріальні білки з неясною функцією) помічаються спеціальними мітками [3]. Ці мітки, маленькі білки убіквітини, прикріплюють спеціальні ферменти, убіквітин-лігази. Про що ж повідомляють ці мітки? Це знак смерті. Білок, помічений убіквітином, має бути знищений. Спеціальна машина для руйнування білків, протеасома, розпізнає убіквітиновані молекули та розщеплює їх. Оскільки мітохондрія не білок, а велика структура, складена з білків і ліпідних мебран, у протеасому вона просто не влізе, хоча окремі її білкові молекули таки можуть закінчити своє існування там. Тому, як вважають науковці, тут може бути задіяний і процес автофагії: потрапляння мітохондрії в спеціальний мембранний пухирець, який надалі наповнюється ферментами-перетравлювачами.

Так чи інакше, але схоже на те, що принаймні в ссавців, зокрема в людини, мітохондрії батька повністю руйнуються безcлідно. От і виходить, що в наших організмах усі мітохондрії – материнські. Це має цікаві наслідки. Наприклад, якщо в батька майбутньої дитини є мітохондріально успадковане захворювання, то в дитини його гарантовано не буде. Зазвичай із встановленням материнства не виникає проблем, але коли така потреба є, то аналізувати мітохондріальну ДНК значно легше, оскільки вона не містить слідів рекомбінації батьківської та материнської генетичної інформації.

Найбільш цікавим, на наш погляд, наслідком виключно материнського походження мітохондрій кожної людини є феномен «мітохондріальної Єви». Серйозні зміни, мутації в мітохондріальній ДНК відбуваються доволі рідко. Більшість хворих на мітохондріальні спадкові захворювання отримують готові мутації від матері, а не розвивають її заново. А це значить, що ми можемо побудувати деревоподібну діаграму, аналізуючи відмінності між мітохондріальною ДНК людей, які живуть нині.

При побудові такої діаграми виявилося, що різноманіття мітохондріальних ДНК усіх людей, які мешкають нині за межами Африки, а їх предки в останні кілька століть не походять з неї, – дуже невелике. За допомогою методу «молекулярного годинника», який приблизно підраховує кількість мутацій у послідовності ДНК за 1000 років, було встановлено, що спільна гілка для всіх європеоїдів та азіатів з’явилася не раніше ніж 65–55 тисяч років тому. Це гарно співпадає з часом появи залишків кісток анатомічно сучасних людей нашого виду на Близькому Сході та в Південній Азії. 

Ця гілка, як виявилось, є однією з 6 гілок більшого різноманіття послідовностей мітохондріальної ДНК. Усі носії цього різноманіття мешкають у Африці. Або мешкають деінде, але їхні нещодавні предки прибули з Африки. Велике генетичне різноманіття завжди вказує на місце, звідки походять всі споріднені організми. Цей закон генетики встановив ще в 1920-ті роки російський дослідник Микола Вавилов, знищений радянською репресивною машиною. Тому, вочевидь, місцем проживання спільної праматері всіх наших мітохондрій була Африка.

Втім, Африка – великий континент. Чи можуть генетичні інструменти (які дані нам фактом знищення мітохондріального внеску батька, нагадуємо) встановити місце більш точно? Можуть! Якщо ми подивимося на найрізноманітніші послідовності мітохондріальної ДНК, то побачимо, що все ж вони дуже схожі в більшості людей: чорно-, біло-, жовтошкірих. Однак є одна група африканців, яка дуже відрізняється від усіх інших. Це народи «кой», «сан» і споріднені з ними. Етнологи називають їх «койсани». Лінгвісти дивуються їхнім мовам, що, на відміну від усіх мов світу, мають звуки на кшталт «кліку» комп'ютерної миші. Нам вони відомі за фільмом «Напевно боги здуріли» та його сіквелом про дружню родину бушменів. Їхня, сьома (або «нульова», як кажуть генетики) лінія мітохондріальної ДНК сильно відрізняється від шести інших.

Рис. 2. Походження гілок сучасних мітохондріальних ДНК. 

Eva-mt – «мітохондріальна Єва»

(Джерело https://commons.wikimedia.org/wiki/File:African_Mitochondrial_descent.PNG, автор Maulucioni, ліцензія CC-BY-SA 3.0)

 

Якщо ж порівняти шестигіллястий корінь різноманіття мітохондріальної ДНК з коренем групи «койсанів» (це умовна назва, бо окрім власне койсанів, там є трохи представників інших африканських народів), то ми можемо відтворити генотип мітохондрії, яка була у предка всіх сучасних людей. До отримання всіх тих – треба ще раз зазначити, небагатьох – мутацій, які відрізняють нас один від одного. Оцей реконструйований генотип колись з'явився в жінки нашого виду, передавався певний час без змін її дочкам, а потім з невеликими змінами дістався кожному з нас. Цю жінку (або когось з її дочок, онук, праонук) називають «мітохондріальною Євою», прародителькою мітохондріального генетичного різноманіття. Метод «молекулярного годинника» дозволяє встановити приблизний час, коли існувала саме така мітохондріальна ДНК. Мова йде про 200–150 тисяч років тому. Сучасний аналіз показує, що мешкали її носії в Південній Африці, неподалік від тих місць, де зараз мешкають койсанські народи.

Рис. 3 Схема формування феномену «мітохондріальної Єви»

(Джерело https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MtDNA-MRCA-generations-Evolution.svg, автор C. Rottensteiner, ліцензія CC-BY-SA 3.0)

 

Тут потрібно зазначити, що «мітохондріальна Єва» не є єдиною жінкою нашого виду, що жила в ті часи. Вона не є й першою жінкою нашого виду. Тоді жило багато жінок, просто внаслідок випадку на Землі лишилися тільки нащадки однієї. Така жінка має виявитися при вивченні еволюції будь якого виду, чи раніше в історії, тоді генетичне різноманіття вище, – чи пізніше, в такому разі генетичних відмінностей між нащадками менше. Тим більше, повторимось, мова йде не стільки про конкретну жінку, скільки про збірний образ з декількох поколінь жінок однієї лінії, абстракцію.

Отже, сучасний науковий погляд на генетичний внесок батьків у людський організм постулює виключно материнське походження мітохондріальної ДНК. Утім, біологія – це наука, яка вивчає дуже складні об'єкти, живі організми. Тому, як ми зазначали на початку цієї історії, біологічні закономірності мають купу обмежень, всіляких «майже» та «за виключенням». Не стане виключенням і походження мітохондріальної ДНК. 

У 2002 році в Копенгагенському госпіталі було досліджено пацієнта з міопатією, яка не дозволяла йому робити навіть елементарні фізичні вправи [4]. Він не міг пробігти й декількох кроків. Проблему визначили в м'язах, адже серце й дихальна система були в нормі. Дослідивши мітохондрії в скелетних м'язах, лікарі виявили, що вони несуть мутацію, якої не знайдено в жодного з родичів, але 90% мітохондрій мали не материнське, а батьківське походження. Таким чином, повідомили вчені, це може бути рідкісним прикладом порушення механізмів руйнування принаймні частини мітохондрій сперматозоїда.

Надалі подібні випадки успадковування мітохондрій від батька були виявлені в багатьох ссавців. А 2018 року генетиків та біологів розвитку приголомшило нове відкриття [5]. Американські дослідники під керівництвом Хуанга Таошенга виявили 17 людей з 3 неспоріднених сімей, які мали в складі мітохондріальної ДНК генетичні послідовності не від матері, а від батька! Вчені припускають, що всі три родини мали певні мутації, які порушують здатність зародка позбавлятися внеску батька. Також вони стверджують, що цей феномен може бути частішим, ніж ми уявляли. Утім поки ані деталі самого механізму, ані такі мутації невідомі. Але чи потрібно змінювати протоколи діагностики мітохондріальних спадкових захворювань? Адже якщо внесок батька може бути суттєвим, то й таку хворобу гіпотетично можна успадкувати від нього.

Велика частина наукової спільноти лишається скептичною. На авторів дослідження дивляться з підозрою: адже фрагменти ДНК, подібні до мітохондріальних, є й у ядрі, а ядерна ДНК якраз наполовину від батька. Чи не могло в пробах 17 людей з дослідження з'явитися «ядерне забруднення»? Ні, відповідають Хуанг з колегами, ми намагалися робити все дуже чисто, плюс зробили контрольні виміри в двох незалежних лабораторіях. Тоді 2019 року група австралійських генетиків провела дослідження 41 мітохондріальних генома дітей з підозрами на мітохондріальні захворювання та їхніх батьків [6]. Виявити ДНК батька в цьому дослідженні не вдалося, тому автори сумніваються в необхідності переглядати діагностичні протоколи. Серед результатів іншого дослідження 2019 року [7], де було вивчено більше 1500 пар мати-дитина, неспівпадіння в мітохондріальній ДНК було знайдено тільки в одному випадку й в одному генетичному локусі. Це може бути пояснено новою мутацією, а не передачею від батька.

У березні 2020 року стан проблеми узагальнили європейські вчені в статті під заголовком «Надзвичайні твердження потребують надзвичайних доказів щодо претензії на походження мітохондріальної ДНК від обох батьків» [8]. Вони вказали на погано описані методичні деталі в статті 2018 року та недостатнє обговорення альтернативних гіпотез, серед яких ключова– недостатня чистота роботи з ДНК. Цікаво, що спочатку автори опублікували препринт статті на порталі bioRxiv, отримали критику від опонентів, а вже потім оновлену версію подали в рецензований журнал. Натомість лабораторія Хуанга обіцяє найближчим часом посилити методичну частину свого дослідження, взяти нові зразки та за допомогою технології одноклітинного секвенування ДНК все-таки вияснити, що там з генетичним дарунком батька. Є він чи так тільки здається.

Сучасні наукові методи є вкрай високотехнологічними, а конкуренція між науковими групами є дуже високою. У гонитві за відкриттями вчені можуть припускатися помилок, не враховувати окремих з сотень параметрів дослідження. Але нові знахідки привертають увагу колег-науковців, які дуже прискіпливо розглядають результати з точки зору відповідності наукового методу. Тому ані безпідставні фантазії, ані спроби приховати нове бачення старих проблем у науці надовго не затримуються. Встановлене якісними дослідженнями наукове знання є найбільш надійним у нашому буремному світі. Тому варто довіряти світовій науковій спільноті, її попередженням і рекомендаціям. Це раціонально та корисно.

 

Перелік літератури

  1. Morran et al. Running with the Red Queen: Host-Parasite Coevolution Selects for Biparental Sex. Science, 2011. DOI: 10.1126/science.1206360
  2. Lumley et al. Sexual selection protects against extinction. Nature, 2015. DOI: 10.1038/nature14419
  3. Thompson et al. Ubiquitination of Prohibitin in Mammalian Sperm Mitochondria: Possible Roles in the Regulation of Mitochondrial Inheritance and Sperm Quality Control. Biol Reprod, 2003. DOI: 10.1095/biolreprod.102.010975
  4. Schwartz&Vissing. Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA. NEJM, 2002. DOI: 10.1056/NEJMoa020350
  5. Luo et al. Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans. PNAS, 2018. DOI: 10.1073/pnas.1810946115
  6. Rius et al. Biparental inheritance of mitochondrial DNA in humans is not a common phenomenon. Genetics in Medicine, 2019. DOI: 10.1038/s41436-019-0568-0
  7. Wei et al. Germline Selection Shapes Human Mitochondrial DNA Diversity. Science, 2019. DOI:10.1126/science.aau6520.
  8. Salas et al. Extraordinary claims require extraordinary evidence in asserted mtDNA biparental inheritance. FSI Genetics, 2020. DOI: 10.1016/j.fsigen.2020.102274