Jak ojcowskie mitochondria zostają zniszczone w embrionie

Jerry A. Coyne

2016-06-30

Cytogenetyka molekularna nie jest moją dziedziną, więc uznałem ten artykuł za trudny, ale wyniki są tak ciekawe, że zrobię, co potrafię, by go przedstawić. Autorami są Quingua Zhou i in. i właśnie został opublikowany we wczesnej, niedrukowanej edycji “Science” (odnośnik i link poniżej). Opowiada o tym, co dzieje się z mitochondriami w embrionach. Jest tam drugi artykuł autorstwa S. Al Rawi i in. (odnośnik poniżej), ale go nie czytałem. W tym samym numerze opublikowano też spojrzenie na obie prace Beth Levine i Zvulun Elazara, ale też nie miałem czasu tego przeczytać (jestem zajęty!)

Jak możecie pamiętać z lekcji biologii, mitochondria są “organellami” w komórce, które wspierają oddychanie i metabolizm (wytwarzanie energii) oraz “apoptozę” czyli zaprogramowaną śmierci komórki. Zawierają kolistą cząsteczkę DNA, z genami do produkcji białek oraz transferowego RNA – małych cząsteczek. które przyczepiają się do aminokwasów i pomagają zestawić je w białka. Jednym z wielkich odkryć za mojego życia (zaproponowanym między innymi przez Lynn Margulis), jest to, że mitochondria są ewolucyjnymi resztkami przypominających bakterie prokariontów,połkniętych (prawdopodobnie przez innego prokarionta), tworząc mutualizm, który doprowadził do pierwszych „prawdziwych” komórek: eukariontów.

Ciekawą rzeczą z mitochorndriami jest to, że u niemal wszystkich gatunków rozmnażających się płciowo dziedziczone są niemal wyłącznie od matki: choć mają je zarówno matki, jak ojcowie, ale tylko mitochondria matki przechodzą do dorosłego potomstwa. Dlatego też można, na przykład, zidentyfikować „mitochondrialną Ewę”: kobietę-przodka, od której pochodzi cały mitochondrialny DNA żyjących ludzi. (Oczywiście, reszta naszego DNA, którego jest znacznie więcej, pochodzi od wielu innych „Ew”, a więc w żaden sposób nie wspiera to narracji biblijnej.)

Chociaż embriony na późnym stadium rozwoju zawierają tylko mitochondria od matki, plemnik, który wnika do jajeczka, ma ojcowskie mitochondria i, przynajmniej w badanym “modelowym organizmie” (małym robaku Caenorhabditis elegans), są one obecne we wczesnych embrionach. Ale potem coś się dzieje – coś zadziwiającego. Można to zobaczyć na fotografiach poniżej.

Pierwsze zdjęcie, “A”, pokazuje normalne mitochondria w plemniku C. elegans. B-C są ojcowskimi mitochondriami w embrionach, pochodzącymi z plemnika. Wkrótce po wytworzeniu embriona w tych mitochondriach zaczynają tworzyć się nienormalne agregaty (niebieskie strzałki; skala to 300 nanometrów czyli 0,3 mikrona). Błony wewnętrzne mitochondriów [cristae] zaczynają się rozpadać (B & C). Następnie wokół ojcowskiej mitochondrii zaczyna tworzyć się “autofagosom” (żółta strzała) (C); jest to błona, jaką komórka otacza struktury, które zamierza zniszczyć. Zawartość autofagosomu niszczą następnie specjalne organelle o nazwie lizosomy. Na zdjęciu “D”, mitochondrium jest bliskie końca; jego błona jest rozłamana i wkrótce zniknie. Wszystkie ojcowskie mitochondria są niszczone w ten sposób. Pozostają tylko matczyne i embrion rozwija się w dorosłego robaka.

Są tutaj cztery pytania:

Dlaczego embrion niszczy ojcowski, ale nie matczyny DNA? Istnieją na to teorie ewolucyjne oparte na zapobieganiu szerzenia samolubnego DNA w organellach (patrz tutaj, gdzie jest jeden przykład), ale są to tylko nieprzetestowane spekulacje. Niemal z pewnością jednak istnieje jakiś powód ewolucyjny, ponieważ dziedziczenie mitochondriów od jednego tylko z rodziców jest tak powszechne.

Jak embrion rozróżnia ojcowskie i matczyne mitochondria i niszczy tylko te pierwsze? Krótka odpowiedź: nie wiemy. Ale założyłbym się, że za kilka lat będziemy wiedzieć.

Jakie geny biorą udział w niszczeniu ojcowskich mitochondriów? Autorzy artykułu znaleźli odpowiedź przy użyciu pomysłowych technik. Przez usunięcie RNA genów biorących udział w wytwarzaniu błon mitochondrialnych pokazali, że prawdopodobnie działa tu jeden gen, cps-6. Kiedy produkt RNA tego genu zostaje usunięty z embriona, mitochondria ojcowskie pozostają do późnego stadium embriona, a to nie dzieje się przy usunięciu produktu jakiegokolwiek innego genu. Okazuje się, że gen cps-6 jest nukleazą (niszczy łańcuch nukleotydów, jak RNA i DNA) i komórka importuje go do mitochondriów ojcowskich, gdzie je rozkłada.

Co dzieje się z komórką, jeśli nie zostają zniszczone mitochondria ojcowskie? Jeśli dezaktywujesz gen cps-6 i mitochondria ojcowskie pozostają nienaruszone, podnosi się śmiertelność embrionów. Nie jest całkowita, ale jest wyższa o 5,9% - co jest poważną stratą potomstwa w kategoriach ewolucyjnych. Sugeruje to, że zniszczenie mitochondriów ojcowskich jest korzystne dla komórki, co raz jeszcze kieruje nas ku wyjaśnieniu ewolucyjnemu, które nadal nie jest w pełni zrozumiałe. ______________

Zhou, Q., H. Li, H. Li, A. Nakagawa, J. L. J. Lin, E.-S. Lee, B. L. Harry, R. R. Skeen-Gaar, Y. Suehiro, D. William, S. Mitani, H. S. Yuan, B.-H. Kang, and D. Xue. 2016. Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization. Science, published online: DOI: 10.1126/science.aaf4777 Al Rawi, S., Louvet-Vallee, S., Djeddi, A., Sachse, M., Culetto, E., Hajjar, C., Boyd, L., Legouis, R., & Galy, V. (2011). Postfertilization Autophagy of Sperm Organelles Prevents Paternal Mitochondrial DNA Transmission Science, 334 (6059), 1144-1147 DOI:10.1126/science.1211878

Paternal mitochondria are destroyed in an embryo

Why Evolution Is True, 24 czerwca 2016

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Jerry A. Coyne

Profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji. Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.