Митохондриальные инопланетяне: откуда в человеческом теле появились другие организмы

В издательстве «Альпина нон-фикшн» вышла книга «Мальчик, который не переставал расти… и другие истории про гены и людей» врача-генетика Эдвина Кёрка, работающего в Лаборатории медико-патологической геномики Нового Южного Уэльса. На примере историй собственных пациентов автор рассказывает о медицинской генетике, генетических заболеваниях и профилактике наследственных болезней. Публикуем фрагмент из главы, посвященной тому, откуда у человека появились митохондрии — изначально чуждые нам организмы, вступившие в синтез с эукариотами.

Между прочим, если вы из числа тех, кто боится вторжения пришельцев, вы очень сильно отстали от жизни. Вторжение давным-давно произошло, и пришельцы уже здесь. Они обитают не просто среди нас, а внутри нас.

История жизни на Земле — то есть и вашей, и моей — очень древняя. Когда зародилась жизнь, точно неизвестно, но по некоторым оценкам, 3,8 млрд лет назад. Представьте себе, что вашу родословную вызвался исследовать некий идеальный специалист по генеалогии. Возможно, кое-что о своей семье вы уже знаете: вам известны ваши родители и их родители. Вы располагаете некоторыми сведениями о дедушках с бабушками, а может быть, и о прадедушках с прабабушками — запечатленных на старой фотографии застегнутых на все пуговицы неулыбчивых людях, живших 100 лет назад. Если у вас страсть к генеалогии, вы можете проследить свою родословную и дальше — на несколько столетий, может, даже более того. Но рано или поздно вы упретесь в тупик. Самый первый известный по имени человек жил в Междуречье чуть больше 5000 лет назад (его звали Кушим). Даже если отводить на каждое поколение по 20 лет, получается всего 250 поколений предков — а вы не можете проследить свою родословную даже до Кушима, потому что о его родственниках ничего не известно.

Наш идеальный генеалог пройдет с вами гораздо дальше в прошлое. Пять тысячелетий письменной истории составляют лишь последние 2% истории современного человека. До того существовали предки людей, чья родословная, в свою очередь, восходит по линии приматов к древним млекопитающим. Представьте себе, что можно выстроить фотографии ваших предков в одну непрерывную линию, скажем женскую, на длинной-предлинной стене. Если отправиться вдоль стены, начав с фотографий вашей мамы, бабушки и прабабушки, долгое время вы не увидите никого, кроме людей или существ, очень похожих на человека. Допустим, на каждый метр стены приходятся три портрета. Тогда галерея будет состоять только из людей на протяжении 2 км. Где-то на этой отметке можно будет обратить внимание на постепенные изменения. Люди — а это все еще люди, хотя и не Homo sapiens — станут более низкорослыми и волосатыми; в конце концов, пройдя еще много километров по коридору, вы найдете первого из своих предков, который стал двуногим. Идем еще дальше: около млн лет назад появились первые млекопитающие. Продолжаем идти, и через тысячи километров семейные фото снова меняются — вот существа, выползающие на берег теплого моря 400 млн лет назад, больше похожие на рыб, от которых они происходят. Но родословную можно проследить и дальше, от матери к матери… Путь назад от первой рыбы, вышедшей на сушу, до первой рыбы, которую можно назвать рыбой, займет еще около сотни миллионов лет. Еще дальше на 900 млн лет в прошлое, и мы доходим до первых примитивных многоклеточных организмов.

Вторжение пришельцев произошло еще на миллиард лет раньше.

Вот уже долгое время ваша прогулка по галерее семейных портретов кажется довольно скучной. Перед вами лишь одноклеточные, все выглядят примерно одинаково, лишь незначительно меняясь за миллионы лет. Но вот вы начинаете замечать кое-что странное. Одноклеточные организмы уже как бы не совсем одноклеточные. Внутри микроскопического создания живут другие. На самом деле эти другие были всегда, но до сих пор казались лишь одной из частей целого, невзрачными пузырьками внутри клетки. Теперь очевидно, что они отличаются от других составляющих одноклеточного существа. Если вместо фотоснимка было бы видео, вы заметили бы, что они свободно передвигаются внутри клетки; ясно, что, хотя они и уютно устроились там, у них своя собственная жизнь. Возможно, они даже покажутся вам скорее паразитами, чем частями целого. Однако это вовсе не так.

А затем происходит нечто по-настоящему странное. Ваше родословное древо раздваивается. Хотя вы следовали от матери к матери, т. е. выбирали только одного родителя из каждого поколения, и держались этой линии, пока не дошли до самых истоков полового размножения, — теперь вдоль стены идет уже двойной ряд портретов.

Вы только что прошли мимо истории в картинках, отражающей одно из важнейших событий эволюции — оно разворачивается в обратном порядке по мере того, как вы продвигаетесь в прошлое. Почти 2 млрд лет назад два примитивных организма объединили свои силы. Один, более крупный, происходил из той линии, которая уже начала наращивать сложность. У него, приблизительно в одно время со знаменательным союзом, появилось клеточное ядро. Так что этот крупный партнер принадлежал к числу первых эукариот — группе организмов, куда входят почти все, кто не являются бактериями. Еще около миллиарда лет не происходило практически ничего, а затем стал назревать эволюционный переворот. Другой партнер был куда более мелким и примитивным организмом, однако у него имелся козырь в рукаве (конечно, рукавов у него не было, как и рук).

Козырь заключался в том, что мелкое существо хорошо умело добывать энергию из пищи. Его новый хозяин тоже это умел, но не так быстро и эффективно. Поэтому от новой договоренности выигрывали обе стороны. Меньший партнер получил защиту от тех, кто мог его съесть, а может быть, и более постоянный приток сырья, чем если бы добывал его сам. Больший получил дополнительный поток энергии, который будет питать следующие 2 млрд лет эволюции.

Вскоре после этого события в другой клеточной линии, не нашей, произошло еще одно объединение. Только на этот раз у мелкой клетки, сумевшей угнездиться в более крупной, была другая специальность: она умела захватывать воду и углекислый газ и с помощью энергии солнца производить питательные вещества. Так появилось первое растение.

Сегодня то, что осталось от малютки-бактерии, совершившей вторжение, называется митохондрией (оккупанты второй волны, сделавшие растения растениями, — это хлоропласты). Митохондрии значительно изменились с тех пор, как впервые поселились в наших клетках, но в некоторых отношениях они все еще отдельные существа — с собственной ДНК, собственным, несколько иным метаболизмом и собственным циклом размножения. Мы полностью зависим от своих митохондрий — они необходимы для нашего выживания и благополучия. Когда с ними что-то не так, то и с нами что-то не так — и часто это настоящая беда.

В этом соглашении есть нечто глубоко странное. Представьте себе, что вы отправились искупаться и какой-то мелкий, но необычайно агрессивный угорь присосался к вашему животу, ухитрился прогрызть его и… поселиться у вас внутри. Причем в итоге угорь не погубил вас, а стал одним из ваших важнейших органов. В этой воображаемой ситуации, с точки зрения угря, сделка выглядит чрезвычайно выгодной. Да, кстати, я не забыл сказать, что угорь — это беременная самка, которой теперь есть где выводить потомство? Но все отлично, ведь вы тоже довольны ситуацией.

Не знаю, как вы, а я никогда не смогу свыкнуться с этой идеей. Между прочим, не следует представлять себе это как однократное событие, удачное стечение обстоятельств, которое идеально сложилось с первого и единственного раза. Бесчисленные живые пузырьки поедали еще более бесчисленное множество более мелких живых пузырьков на протяжении сотен миллионов лет. За это время, несомненно, много раз бывало так, что союз почти складывался, когда, может быть, на несколько поколений клеток устанавливалось нечто вроде стабильности, но в итоге большому пузырьку не хватало терпения и он поедал маленький, либо маленький быстро вырастал и выедал хозяина изнутри. И все же в конце концов партнерство сложилось и принесло оглушительный успех. Оглянитесь вокруг: все, что не камни, песок или вода, — результат этого партнерства. Каждый куст, каждое дерево, каждый коралловый риф, каждый дом, мост, корабль и пластиковый пакет — все они существуют только благодаря этому союзу между вашими древними предками, крохотными искорками жизни, которые лишь чуть-чуть успешнее работали вместе, чем поодиночке.

За миллионы лет наши митохондрии остепенились, по-настоящему обустроились и почувствовали себя как дома. Постепенно они передали некоторые ключевые задачи клеточному ядру и давным-давно потеряли способность существовать как самостоятельные организмы. От их независимого прошлого у них на память осталось одно — их собственный небольшой геном.

У людей он крошечный, всего 16 569 нуклеотидов, и в нем лишь 37 генов. Возьмем для сравнения геномы современных бактерий: свободноживущим бактериям, по-видимому, требуется не менее 1500 генов, закодированных в 1,5 млн азотистых оснований ДНК, а у некоторых геномы в пять раз больше. Есть бактерии с меньшими геномами, но они не могут существовать без других организмов. Например, Mycoplasma genitalium, у которой всего около 470 генов. Она не может расщеплять питательные вещества на компоненты, которые способна усваивать, поэтому существует только в качестве паразита внутри чужих клеток. Таких паразитов довольно много — возможно, они представляют собой эволюционные недолеты, тот сценарий, при котором схема «один организм живет внутри другого» оказалась полезнее для одного из партнеров (паразита), чем для другого (хозяина).

Итак, митохондриальный геном — призрак когда-то существовавшего организма. Из его 37 генов только 13 кодируют белки — остальные производят оборудование, необходимое для синтеза этих белков, используя для этого слегка иные биохимические реакции, чем ядерный геном. Возможно, когда-нибудь все эти генов перейдут в ядерный геном и митохондриальный геном станет нефункциональным. Пока что митохондрии по своему поведению все еще немного напоминают отдельный организм. В каждой клетке содержится от сотен до тысяч митохондрий. Каждая митохондрия несет множество копий собственного генома в форме кольцевой ДНК, похожей на геномы бактерий и совсем непохожей на хромосомы ядра. Митохондрии ведут собственную маленькую жизнь , частично независимую от остальной клетки. Как бактерии, они размножаются делением; они растут, стареют и умирают в собственном темпе. Когда клетка делится, дочерние клетки распределяют между собой митохондрии материнской. Чтобы делящиеся митохондрии могли получить свои копии митохондриального генома, его тоже нужно скопировать, и для этого существуют специальные клеточные механизмы. Как при всяком копировании ДНК, могут происходить ошибки, а значит, случаются митохондриальные мутации. У них есть свои особенности, о чем пойдет речь дальше.

Читайте также

Спасение от тревожности и ментальных расстройств может скрываться в митохондриях наших клеток

Мы зависимы от своих митохондрий: они выполняют множество задач, но в первую очередь они служат генераторами энергии, необходимой клеткам. Пищеварительная система, куда входит и печень, расщепляет пищу на составные части. Некоторые из них мы умеем использовать как источники энергии: сахара, жиры и (при крайней надобности) белки можно сжигать в качестве топлива. Эти виды сырья передаются в митохондрии, где они превращаются в доступную химическую энергию, которую клетка может расходовать на выполнение своих задач. А значит, клетки, потребляющие больше всего энергии, — клетки мозга, мышц, сердца и т. п. — наиболее уязвимы в случае поломки митохондрий. Напротив, клетки, которым энергии нужно не так много, например кожные и жировые, могут пережить отказ митохондрий сравнительно благополучно.