Предложен новый механизм наследования митохондриальной ДНК от отца

Полтора года назад «Элементы» рассказывали о работе, в которой были описаны трое пациентов, в чьих клетках обнаружилась митохондриальная ДНК, полученная по отцовской линии. Предполагалось, что митохондрии каким-то образом передавались от отца ребенку. В недавней статье в журнале Nature Communications предложено другое объяснение этому феномену. Ее авторы полагают, что ДНК из отцовских митохондрий частично встроилась в геном отцовских клеток. Поэтому то, что в течение полутора лет считали наследованием митохондрий, может оказаться наследованием митохондриальных генов в ядре.

Несмотря на то, что гены из митохондрий человека почти полностью мигрировали в ядро, 37 из них продолжают работать внутри митохондрий. В основном эти гены кодируют белки дыхательной цепи — это молекулы, которые работают на последнем этапе клеточного дыхания и отвечают за производство подавляющего большинства молекул АТФ в клетке. Именно поэтому мутации в митохондриальной ДНК зачастую неприятно сказываются на здоровье их носителя: от дефицита энергии страдают в первую очередь нервы и мышцы, что приводит к развитию миопатий и нейропатий.

До недавнего времени считалось, что подобные генетические болезни наследуются только по материнской линии, поскольку все свои митохондрии зародыш получает из цитоплазмы яйцеклетки. Но в ноябре 2018 года в журнале PNAS вышла статья, в которой ученые во главе с Шиюй Ло (Shiyu Luo) описали три неклассических случая наследования митохондриальных болезней (подробно об этом исследовании рассказано в новости Митохондриальная ДНК может передаваться по отцовской линии, «Элементы», 28.11.2018).

Один из пациентов, судя по всему, унаследовал свою болезнь от матери. Ее мать, в свою очередь, была здорова, однако симптомы, похожие на митохондриальную болезнь, обнаружились у ее отца. Чтобы выяснить, как такое могло получиться, исследователи выделили ДНК из клеток всех членов семьи. Затем они избирательно амплифицировали участки, похожие на митохондриальную ДНК, и отсеквенировали их. Оказалось, что и у пациента, и у его матери в клетках находится более одного типа митохондриальной ДНК. Похожую ситуацию авторы работы обнаружили еще в двух семьях.

Проведенные исследования позволили ученым только констатировать факт неклассического наследования митохондриальной ДНК, но не выявить его механизм. Правда, обсуждая свои результаты, авторы статьи предположили, что дело в какой-то мутации, которая позволяет отцовским митохондриям выживать внутри оплодотворенной яйцеклетки. Чаще всего они гибнут, но можно себе представить, что какой-то неизвестный пока механизм позволяет им составить конкуренцию материнским митохондриям и размножиться, передав ребенку таким образом отцовскую последовательность митохондриальной ДНК вместе с характерными мутациями.

Эта работа спровоцировала широкое обсуждение в научных кругах, поскольку до сих пор примеры наследования митохондрий от отца у людей не встречались, за исключением одной относительно давней работы с неоднозначными результатами (M. Schwartz, J. Vissing, 2002. Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA). Правда, после выхода этой статьи несколько исследовательских групп попробовали найти другие примеры такого наследования, но их поиски ни к чему не привели (см., например, статьи A. Pyle et al., 2015. Extreme-Depth Re-sequencing of Mitochondrial DNA Finds No Evidence of Paternal Transmission in Humans и R. W. Taylor et al., 2003. Genotypes from patients indicate no paternal mitochondrial DNA contribution). Да и у других млекопитающих передача митохондрий от отца к детенышу описана только в редких статьях (см., например, X. Zhao et al., 2004. Further evidence for paternal inheritance of mitochondrial DNA in the sheep (Ovis aries) или U. Gyllensten et al., 1991. Paternal inheritance of mitochondrial DNA in mice).

Поэтому и новые данные о том, что митохондриальная ДНК может наследоваться от отца, подверглись ожидаемой критике. В отзывах на статью Ло и ее соавторов упрекнули в том, что они не рассмотрели другой вариант интерпретации данных. Возможно, дело не в том, что в клетках пациентов находится несколько вариантов митохондрий (это явление, кстати, называют гетероплазмией). Быть может, дело в том, что ДНК из митохондрий отца встроилась в геном его же половых клеток? Или в геном половых клеток деда (тогда все клетки отца будут нести эти мутацию)? В таком случае ребенок может унаследовать митохондриальную ДНК отца вместе с мутациями, но не получить его митохондрий.

Случаи таких дополнительных переносов митохондриальной ДНК в ядро давно известны (cм. G. Dayama et al., 2014. The genomic landscape of polymorphic human nuclear mitochondrial insertions), эти вставки получили название NUMT (nuclear-mitochondrial DNA segments). Мы уже знаем, что они появляются в каждом поколении с частотой примерно 5 половых клеток на миллион. Например, в одном из референсных геномов человека (усредненных геномов, которые «собирают» из нескольких людей и используют в качестве стандарта) таких вставок нашлось 755 штук. Они бывают разного размера: от нескольких десятков пар оснований до почти полной последовательности митохондриальной ДНК. А встроиться в геном им помогают, судя по всему, двунитевые разрывы: когда в ядерной ДНК возникает такая «сквозная дыра» и рядом оказывается фрагмент митохондриальной ДНК, то белки репарации соединяют концы «дыры» с чужеродной нитью.

Рис. 2. Гипотетические пути образования NUMT. А — деградация поврежденной митохондрии, В — лизис митохондрии, С — «захват» митохондрии ядром, D — слияние оболочек митохондрии и ядра, E — интеграция митохондриальной ДНК в поврежденные участки хромосом. Изображение из статьи E. Hazkani-Covo et al., 2010. Molecular Poltergeists: Mitochondrial DNA Copies (numts) in Sequenced Nuclear Genomes

Чтобы убедиться в том, что в клетках пациентов действительно уживаются несколько видов митохондрий, по мнению критиков, потребовались бы дополнительные эксперименты. Один путь проверки — это создать культуру клеток такого «подозрительного» пациента без митохондрий (такие методы давно существуют, см. A. Kukat et AL., 2008. Generation of ?⁰ cells utilizing a mitochondrially targeted restriction endonuclease and comparative analyses). Тогда можно было бы снова отсеквенировать ДНК и проверить, продолжают ли в ней обнаруживаться митохондриальные последовательности.

Второй путь — тщательное секвенирование ядерной ДНК. Этим путем пошли авторы нового исследования, опубликованного недавно в журнале Nature Communications. Они попробовали воспроизвести результаты работы Ло и соавторов и поискать другие примеры наследования митохондриальных мутаций от отца. Для этого они обратились к базе данных 100 000 Genomes Project — проекту, в рамках которого в Великобритании секвенируют геномы людей с редкими болезнями. Из него ученые выбрали 10 764 тройки «мать, отец, ребенок», где отцы несли по меньшей мере одну последовательность митохондриальной ДНК, которая не встречалась у матерей. Затем исследователи выделили 103 последовательности, которые встречались у отцов и их детей одновременно — таких пар оказалось 32. Из них только в 7 случаях наследование оказалось полным: то есть ребенку достались все последовательности отцовской митохондриальной ДНК. Это уже говорит о том, что такой тип наследования встречается нечасто — даже в выборке из людей с редкими заболеваниями (у которых с большей вероятностью можно найти генетические аномалии) таких семей оказалось около 0,06%.

Чтобы проверить, принадлежат ли эти последовательности к собственно ДНК митохондрий или же они встроены в ядерный геном, ученые искали в расшифровке ядерного генома следы стыков — непрерывные участки, которые содержат одновременно последовательности, характерные и для ядерной, и для митохондриальной ДНК. Во всех 7 семьях отец и ребенок (а двух семьях — даже два ребенка) оказались носителями именно вставок митохондриальной ДНК в ядерную, то есть NUMT. Все эти вставки были длиной не меньше 500 пар оснований и не встречались ни у других членов этих семей, ни в предыдущих работах, посвященных NUMT.

Рис. 3. Вверху — 32 семьи, в которых отцы и дети несли общие фрагменты митохондриальной ДНК. По вертикали отложено число вариантов; желтый — варианты, которые встретились у отцов, матерей и детей, синий — только у отцов, красный — только у отцов и детей. Внизу — родословная исследуемых семей. Квадрат — мужской пол, круг — женский пол, заштрихованные фигуры — люди с уникальными митохондриальными последовательностями, снизу указан процент встречаемости. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Тем не менее, у двух семей встретилась одна и та же вставка, несмотря на то, что они не были близкими родственниками, а еще у двух оказалась общей другая вставка. Можно было бы предположить, что нескольким отцам независимо досталась от далеких предков одна и та же мутация, а затем она перешла по наследству их детям, или что один и тот же фрагмент митохондриальной ДНК дважды независимо попал в одну и ту же хромосому в ядре, и его получили дети. Авторы обсуждаемой работы сочли второй вариант более вероятным: возможно, потому, что шанс передать ребенку отцовскую митохондрию (которая, как правило, обречена погибнуть внутри яйцеклетки) гораздо ниже, чем шанс передать отцовскую хромосому со вставкой (здесь вероятность около 50%).

Затем исследователи еще раз прошлись по базе геномов, чтобы выявить всех отцов, несущих NUMT в своих хромосомах. Их оказалось всего 14. Из них только семь (о которых говорилось выше), то есть половина, передали вставки митохондриальной ДНК своим детям, что соответствует средней вероятности наследования любой неполовой хромосомы.

Как уже упоминалось выше, у семей с наследованием NUMT встречается более одной такой вставки на человека. Авторы работы заметили, что шесть из семи семей несут «разорванные» участки митохондриальной ДНК, которые «смотрят» в противоположные стороны на хромосоме. Такое возможно только в том случае, когда кольцевая молекула ДНК рвется в одном месте и встраивается в геном — при этом концевые участки получаются разнонаправленными. В подтверждение этой гипотезы исследователи нашли у всех семи семей следы стыков митохондриальных последовательностей. Это позволило им заключить, что NUMT — это сложная структура, которая нередко образуется путем слияния множества кольцевых фрагментов митохондриальной ДНК и встраивания их в ядерный геном. Таких фрагментов у разных семей нашлось от 2 до 20, и их число строго совпадало у родителей и детей.

Рис. 4. Модель образования больших NUMT: отдельные кольцевые фрагменты митохондриальной ДНК соединяются концами и встраиваются в разрыв ядерной ДНК. В результате между фрагментами образуются стыки, а участки на их концах «смотрят» в разные стороны. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Следует ли из этого, что наследование митохондриальной ДНК отца через ядерный геном строго подтверждено, гетероплазмии у людей не бывает, а Ло с коллегами оказались неправы? Строго говоря, мы не можем этого утверждать, потому что новая работа сделана на новых данных и на других людях. Кроме того, у группы Ло нашлись свои возражения против гипотезы NUMTов (S. Luo et al., 2019. Reply to Lutz-Bonengel et al.: Biparental mtDNA transmission is unlikely to be the result of nuclear mitochondrial DNA segments). Например, они подметили, что количество NUMTов в геноме невелико (в пределах нескольких копий), в то время как «настоящих» митохондрий со своей кольцевой ДНК в клетке сотни, если не тысячи. Крайне маловероятно, по их словам, чтобы они, секвенируя митохондриальную ДНК, обнаружили ту самую «бракованную» копию в ядре на фоне множества полноценных митохондриальных геномов. В то же время, если бы митохондрии от отца наследовались целиком, то, поскольку митохондрии размножаются в клетке, их могло бы оказаться значительно больше — следовательно, обнаружилось бы больше копий мутантной ДНК.

Кто из исследователей прав и что именно наследуется в обнаруженных ими семьях — целые митохондрии от отца или отдельные вставки в геном — пока неясно. На данный момент одна группа предложила свою версию развития событий, а вторая подвергла ее сомнению. И как бы ни складывались события на самом деле, факт остается фактом: в отдельных случаях ребенок действительно может получить митохондриальную ДНК в наследство от отца — мы просто еще не знаем, в какой форме. Тем не менее, форма наследования в данном случае имеет большое значение, потому что может привести к разным последствиям.

Если предположить, что по наследству передаются митохондрии целиком, то ребенок может действительно столкнуться с митохондриальными болезнями (если в геноме этих органелл находятся неблагоприятные мутации). Кроме того, редкие описанные случаи гетероплазмии у животных тоже не проходят бесследно. Например, у экспериментально выведенных мышей со смесью митохондрий возникает множество проблем со здоровьем: сниженное потребление пищи и кислорода, замедленная активность и когнитивные нарушения (см. M. S. Sharpley et al., 2014. Heteroplasmy of mouse mtDNA Is genetically unstable and results in altered behavior and cognition). Вероятно, дело в том, что разные типы митохондрий кодируют разные варианты митохондриальных белков. И когда в течение жизни клетки митохондрии сливаются друг с другом и разделяются обратно, наборы генов перемешиваются и в органелле начинают работать белки из разных «команд». Вследствие этого падает эффективность клеточного дыхания и начинает не хватать энергии. Можно предположить, что, если бы у человека такое наследование было возможно, то, помимо мутаций в митохондриальной ДНК и связанных с ними болезней, он мог бы приобрести и другие патологии.

Если же митохондриальная ДНК наследуется через NUMT, то последствия могут быть совсем другими. Поскольку NUMT — это случайная вставка в геном, то она, как и любая мутация, может нарушить структуру гена или изменить его работу. Именно это, кстати, время от времени происходит в опухолях — среди прочих хромосомных аномалий там встречаются и такие вставки (Y. S. Ju et al., 2015. Frequent somatic transfer of mitochondrial DNA into the nuclear genome of human cancer cells). Известны и случаи заболеваний, вызванных NUMT в обычных клетках, — они ведут себя так же, как и другие аутосомные мутации (Y.-G. Yao et al., 2008. Pseudomitochondrial genome haunts disease studies). Тем не менее, сами митохондриальные гены в составе NUMT, кажется, не экспрессируются на достаточном уровне, чтобы влиять на работу клетки. По крайней мере, ни в одной из семей, у которых обнаружили передачу NUMT, не нашли митохондриальных болезней.

Таким образом, до сих пор до конца не ясно, с чем мы имеем дело: с продолжением миграции митохондриальных генов в ядро или с эгоистичными отцовскими митохондриями, которые выбили себе право на жизнь в яйцеклетке. Но от того, какой из механизмов наследования подтвердится, будет многое зависеть для клинической практики: например, насколько высоки шансы унаследовать митохондриальную ДНК в каждой конкретной семье и чем может грозить ребенку такое наследство.

Источник: W. Wei, A. T. Pagnamenta, N. Gleadall, A. Sanchis-Juan, J. Stephens, J. Broxholme, S. Tuna, C. A. Odhams, Genomics England Research Consortium, NIHR BioResource, C. Fratter, E. Turro, M. J. Caulfield, J. C. Taylor, S. Rahman & P. F. Chinnery. Nuclear-mitochondrial DNA segments resemble paternally inherited mitochondrial DNA in humans // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15336-3.

Полина Лосева