Эгоистичная митохондрия. Как сохранить здоровье и отодвинуть старость

Утрата бесполезных генов — весьма распространенное явление. Бактерии могут потерять их в течение нескольких часов или дней. Как это помогает выживанию? Деление клеток, обеспечивающее репродукцию бактерий, требует очень большого количества энергии, тогда как бактерии в сравнении с эукариотами производят очень мало энергии. Чем меньше размер бактериальной ДНК, тем меньше энергии требуется для ее копирования для дочерних клеток. Эффективность сброса генетического балласта проявляется в малом количестве мусорного ДНК на главной хромосоме бактерий.

Вы можете возразить, что утрата генов — это неэффективный механизм, потому что сброшенные гены могут быть вновь востребованы. Тем не менее отказ от генов бактериями не является столь безрассудным, как это может показаться. Дело в том, что бактерии могут вновь приобрести нужные им (равно как и другие) гены в рамках процесса, называемого горизонтальным переносом генов. Бактерии способны подбирать ДНК в окружающей их среде (забирая генетический материал у мертвых клеток или других бактерий) с помощью бактериальной конъюгации, которая не сильно отличается от акта совокупления между людьми в плане передачи ДНК. (Ну ладно, возможно, различия здесь существенны, но главное здесь то, что бактерии могут приобретать новые гены и успешно пользуются этой способностью.) Феномен горизонтального переноса генов, позволяющего бактериям получать новый генетический материал, говорит о том, что введение в пищевую цепь генетически модифицированных растений и животных может привести к непредсказуемым последствиям и требует гораздо более углубленных исследований, нежели проведены до сих пор. Бактерии в наших кишечниках или в кишечниках наших домашних животных способны вобрать в себя модифицированные гены. Если это произойдет, то в царствах животных и растений может начаться необратимый хаос (а ведь существует бесконечное число иных возможностей утечки модифицированных генов в мир живой природы).

Процесс потери и приобретения генов сохраняет общую генетическую базу бактерий в состоянии постоянного изменения, что является благоприятным для выживания, так как предупреждает потерю той или иной колонией всех «избыточных» генов в конкретный момент времени. Какая-то часть входящих в данное сообщество бактерий, как правило, сохраняет эти гены в полностью функциональном состоянии, и, если в них вновь возникает нужда, передает реабилитированный генетический материал остальным членам сообщества посредством механизма горизонтального переноса. Развитая способность бактерий делиться друг с другом генами объясняет такие явления, как очень быстрое распространение резистентности к антибиотикам в рамках больших бактериальных сообществ. Именно поэтому регулирующие организации требуют от компаний-изготовителей пищевых добавок с содержанием пробиотиков доказательств того, что соответствующие пробиотические штаммы не обладают сопротивляемостью к антибиотикам (в противном случае генетическая защита от лекарств может быть передана потенциально патогенным бактериям в кишечнике).

Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации гораздо быстрее протекает при участии содержащихся в хромосоме крошечных колец — плазмид (я упоминал о них выше), однако бактерии могут передавать гены, являющиеся частью ее основных хромосом, просто это происходит медленнее. Любой ген, который не используется регулярно или в котором сейчас отсутствует потребность, будет отвергнут во имя более быстрой и эффективной репликации.

Будучи потомками бактерий, митохондрии потеряли бо́льшую часть своих генов. Но если бы они были всего лишь паразитами, живущими на всем готовом, то почему у них сохранились какие-то гены? Это хороший вопрос, особенно если учесть, что каждая клетка включает в себя от нескольких сотен до нескольких тысяч митохондрий, а каждая из митохондрий скрывает от пяти до десяти копий ДНК. Лэйн глубоко погружается в проблему. Содержащийся в клетке объем митохондриальной ДНК является серьезной проблемой при клеточном делении или при делении самих митохондрий (митохондриальном биогенезисе), так как все эти гены должны быть скопированы. Кроме того, каждая митохондрия должна поддерживать свой собственный аппарат генетической трансляции и синтезирующих белки рибосом. Для наследников бактерий (мы помним, что кредо первых микроорганизмов — максимальная экономия энергии) такой набор функций является, на первый взгляд, чрезмерным.

Помимо этого, наличие в одной клетке митохондрий с разными геномами потенциально влечет за собой катастрофические последствия (это происходит, если, например, митохондрии из отцовского сперматозоида умудряются выжить и сосуществуют с митохондриями из материнской яйцеклетки, что, как правило, приводит к прерыванию энергии). Этого можно было бы избежать, если бы все митохондриальные гены были переданы в ядро и удерживались там.