Почему у млекопитающих половые клетки образуются еще до полового созревания, а у низших животных и растений — только у «взрослых» особей? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Университетского колледжа в Лондоне разработали эволюционную модель, в центре которой — естественный отбор митохондрий. Работа опубликована в журнале PLOS Biology, сообщает пресс-служба вуза.
По словам первого автора статьи, студента Университетского колледжа в Лондоне Арунаса Радзвилавичуса (Arunas Radzvilavicius), «существует много теорий, объясняющих почему у млекопитающих есть специализированные зародышевые линии клеток, тогда как у растений и других древних животных их нет. Некоторые ученые предполагают, что причина — в сложности тканей или конфликте между клетками. Казалось, что различие между половыми клетками и нормальными тканями тела необходимо для эволюции очень сложных специализированных тканей вроде мозга».
Но ученые выяснили, что дело в другом. Скорее причина лежит в количестве генетических мутаций, происходящих со временем в митохондриальной ДНК, которое различно у организмов, а вариации между клетками, вызванные митохондриями, случайным образом распределяются между дочерними клетками при каждом делении.
А поскольку у млекопитающих генетические ошибки в митохондриях накапливаются быстрее из-за высокой скорости метаболизма, использование клеток, которые не претерпели много циклов деления, станет помехой на пути накопления мутаций. Поэтому митохондрия передается следующему поколению только через женскую зародышевую линию в форме больших яйцеклеток — которые претерпевают гораздо меньше циклов репликаций, чем клетки других тканей, таких как кишечник, кожа и кровь.
Зародышевая линия таким образом служит гарантом того, что передаются только самые лучшие митохондрии, но в тоже время ограничиваются генетические вариации в следующих поколениях клеток в развивающемся эмбрионе. Чтобы это исправить, у млекопитающих производится слишком много яйцеклеток, поэтому они удаляются во время развития. К примеру, люди рождаются с 6 млн зародышевыми яйцеклетками, 90% из которых выбраковываются с началом половой зрелости во время процесса, называемого атрезией.
По мнению Ника Лейна (Nick Lane), ведущего автора статьи, «скорость митохондриальных мутаций, вероятно, выросла во время «кембрийского взрыва» 550 млн лет назад, когда в атмосфере увеличилась концентрация кислорода. Тогда появились первый подвижные животные типа трилобитов, у которых были глаза и армированные панцири, появились хищники и жертвы. Движение заставляло их использовать митохондрии в клетках больше, а это увеличило скорость мутаций. Чтобы избежать накопления этих мутаций, нужно было уменьшить число циклов деления клетки, и это привело к выделению специализированных зародышевых линий».
«Без зародышевых линий животные со сложным развитием и мозгом существовать не могут. Ученые долго пытались объяснить эволюцию зародышевых линий в терминах сложности. Кто бы догадался, что она возникает из отбора в митохондриальном геноме? Мы надеемся, что наше открытие повлияет на понимание учеными развития животных, репродукции и старения», — сказал профессор Эндрю Помиянковски (Andrew Pomiankowski), соавтор статьи.
