Исследователи провели самое объёмное на сегодня сравнение белкового состава митохондрий у далёких ветвей жизни. Они проанализировали восемь организмов экспериментально, затем распространили результаты на примерно 200 видов. Вывод: общий предок современных эукариот располагал уже сложной митохондрией, способной извлекать энергию как в присутствии кислорода, так и без него.
Митохондрии называют энергетическими станциями клетки, но это определение охватывает только часть их функций. Эти структуры участвуют в обмене веществ, синтезе молекул и множестве других процессов. За миллиарды лет разные организмы перестроили их под собственные условия жизни, иногда кардинально.
Для исследования создали новые каталоги митохондриальных белков растения и пяти одноклеточных паразитов, добавили известные данные человека и дрожжей. Получилось 8 619 различных белков, объединённых в 3 199 семейств. Почти половина семейств не совпадает ни с одним известным белковым доменом в базе Pfam — значительная часть молекулярного устройства митохондрий остаётся неизученной.
Чтобы точно определить, какие белки находятся внутри митохондрий, исследователи очищали клеточные структуры и анализировали их масс-спектрометрией. Метод разделяет молекулы по массе и идентифицирует белки по характерным фрагментам. Эти экспериментальные наборы использовали для обучения вычислительной модели, которая затем предсказывала митохондриальные белки у видов без подробных лабораторных данных.
Наиболее радикальное упрощение обнаружили у лямблии Giardia. Связанная с митохондриями структура содержит всего 59 белков и не производит энергию классическим митохондриальным способом. В противоположность этому Leishmania и Trypanosoma имеют наборы белков на 50% больше человеческих и включают молекулы, уникальные для отдельных групп паразитов.
Различия интересны не только для эволюционной биологии. Учёные выявили 33 семейства белков, сохранившихся у нескольких болезнетворных эукариот, но отсутствующих у человека. Эти белки — потенциальные мишени для препаратов против протозойных инфекций, хотя работа пока показывает только кандидатов, а не готовые решения.
Амёба Acanthamoeba продемонстрировала гибкую систему: её митохондрии переключаются между кислородным и бескислородным обменом в зависимости от наличия кислорода. Учёные предполагают, что эта универсальность сохранилась с времён, когда древние эукариоты обитали в условиях с постоянно меняющимся уровнем кислорода.
Данные восьми организмов использовали для обучения модели, которая предсказала состав митохондрий примерно у 200 эукариот. Результат — эволюционная карта: одни линии постепенно добавляли новые семейства белков, другие теряли их и превращали митохондрии в сильно упрощённые структуры. В некоторых случаях сокращение зашло настолько далеко, что органелла приблизилась к почти полной утрате.
На этой карте учёные реконструировали митохондрию последнего общего предка эукариот — древней клетки, от которой произошли современные животные, растения, грибы и одноклеточные организмы. Расчёты указывают на уже довольно сложную систему, способную поддерживать оба типа обмена веществ.
Реконструкция поддерживает сценарий, при котором митохондрия появилась сравнительно поздно в развитии эукариотической клетки. К моменту её приобретения предковая клетка уже успела обзавестись частью других сложных внутренних структур. Авторы не считают этот вопрос закрытым: последовательность событий, которые около двух миллиардов лет назад превратили союз древней клетки и бактерии в современную эукариотическую клетку, остаётся предметом научной дискуссии.
Предок митохондрий был когда-то самостоятельной бактерией, оказавшейся внутри другой клетки. Со временем большая часть бактериальных генов исчезла или переместилась в ядерный геном хозяина, а микроб превратился в постоянную часть клетки. Новое сравнение показывает, насколько сильно потомки одной древней системы разошлись за миллиарды лет: от набора из нескольких десятков белков до огромных молекулярных машин, превосходящих человеческие митохондрии по сложности.
