Митохондрии — это компартменты — так называемые «органеллы» — в наших клетках, которые обеспечивают запас химической энергии, необходимой нам для движения, мышления и жизни. Хлоропласты — это органеллы растений и водорослей, которые улавливают солнечный свет и осуществляют фотосинтез. На первый взгляд, они могут казаться совершенно разными. Но международная группа исследователей во главе с Бергенским университетом использовала науку о данных и вычислительную биологию, чтобы показать, что одни и те же «правила» сформировали то, как обе органеллы — и даже больше — развивались на протяжении всей истории жизни.

Оба типа органелл когда-то были независимыми организмами со своими собственными полными геномами. Миллиарды лет назад эти организмы были захвачены и заключены в тюрьму другими клетками — предками современных видов. С тех пор органеллы потеряли большую часть своих геномов, и в современных митохондриальных и хлоропластных ДНК осталось лишь несколько генов. Эти оставшиеся гены необходимы для жизни и играют важную роль при многих разрушительных заболеваниях, но вопрос о том, почему они остаются в ДНК органелл, когда так много других утрачено, обсуждался десятилетиями.

Чтобы по-новому взглянуть на этот вопрос, ученые использовали подход, основанный на данных. Они собрали данные обо всех ДНК органелл, секвенированных на протяжении всей жизни. Затем они использовали моделирование, биохимию и структурную биологию, чтобы представить широкий спектр различных гипотез о сохранении генов в виде набора чисел, связанных с каждым геном. Используя инструменты науки о данных и статистики, они спросили, какие идеи могут лучше всего объяснить закономерности сохраненных генов в собранных ими данных, проверяя результаты с помощью невидимых данных, чтобы проверить их силу.

В результате моделирования выявились некоторые четкие закономерности. Многие из этих генов кодируют субъединицы более крупных клеточных машин, которые собраны как мозаика. Гены для частей в середине головоломки, скорее всего, останутся в ДНК органелл».

Костас Яннакис, научный сотрудник Бергена и соавтор статьи.

Команда считает, что это связано с тем, что сохранение локального контроля над производством таких центральных субъединиц помогает органелле быстро реагировать на изменения — версия так называемой модели «CoRR». Они также нашли поддержку для других существующих, обсуждаемых и новых идей. Например, если продукт гена является гидрофобным и его трудно импортировать в органеллу извне, данные показывают, что он часто остается там. Гены, которые сами закодированы с помощью химических групп с более сильным связыванием, также чаще сохраняются — возможно, потому, что они более устойчивы в суровых условиях органеллы.

«В прошлом эти разные гипотезы обычно считались конкурирующими», — говорит Иэн Джонстон, профессор Бергенского университета и руководитель группы. «Но на самом деле ни один механизм не может объяснить все наблюдения — требуется их комбинация. Сила этого беспристрастного, основанного на данных подхода заключается в том, что он может показать, что многие идеи верны частично, но ни одна из них не является верной исключительно — возможно, это объясняет долгие дебаты. на эти темы».

К своему удивлению, команда также обнаружила, что их модели, обученные описывать митохондриальные гены, также предсказывают сохранение хлоропластных генов, и наоборот. Они также обнаружили, что те же генетические особенности, формирующие митохондриальную и хлоропластную ДНК, по-видимому, также играют роль в эволюции других эндосимбионтов — организмов, которые совсем недавно были захвачены другими хозяевами, от водорослей до насекомых.

«Это был вау-момент», — говорит Джонстон. «У нас — и у других — была идея, что подобное давление может применяться к эволюции разных органелл. Но увидеть эту универсальную, количественную связь — данные одной органеллы точно предсказывают закономерности в другой и в более поздних эндосимбионтах — было действительно поразительно. .»

Исследование является частью более широкого проекта, финансируемого Европейским исследовательским советом, и сейчас команда работает над параллельным вопросом — как разные организмы сохраняют гены органелл, которые они сохраняют. Мутации в митохондриальной ДНК могут вызывать разрушительные наследственные заболевания; команда использует моделирование, статистику и эксперименты, чтобы изучить, как эти мутации реагируют на людей, растения и многое другое.