В 19м веке, когда США переживали последствия Гражданской войны, Джесси Джеймс, лидер печально известной банды преступников, приобрёл известность. Он грабил банки и поезда более десяти лет, пока один из членов банды не застрелил его. Его убийство стало национальной сенсацией, и вскоре поползли слухи о том, что он инсценировал свою смерть, чтобы избежать правосудия.

В конце 1990-х годов Марк Стоункинг, молекулярный антрополог из Университета штата Пенсильвания, и его коллеги решили наконец-то положить конец многолетним слухам. Они приступили к анализу генетического материала тела, похороненного в могиле, которая была обозначена как могила Джеймса. В частности, они изучили ДНК, присутствующую в бобовидных энергетических центрах клетки — митохондриях.

Уникальные свойства митохондриальной ДНК (мтДНК) сделали её полезным инструментом для криминалистических исследований. Кроме того, популяционные генетики используют анализ мтДНК для изучения истории и происхождения людей. Однако некоторые характеристики мтДНК, которые делают её полезной, также делают людей восприимчивыми к митохондриальным заболеваниям, и учёные используют информацию, полученную в результате анализа мтДНК, для профилактики и лечения этих заболеваний.

Секвенирование митохондриальной ДНК для составления карты родословной

Митохондрии — это уникальные органеллы, у которых есть собственная ДНК — небольшие замкнутые кольцевые молекулы, содержащие около 16 500 пар оснований (для сравнения: почти три миллиарда пар оснований составляют ядерную ДНК).

мтДНК также отличается от своего ядерного аналога тем, что наследуется не по менделевскому принципу: большинство организмов, размножающихся половым путём, получают мтДНК исключительно от матери. Поскольку мтДНК наследуется только от одного родителя, митохондриальное наследование не предполагает рекомбинации, что упрощает анализ мтДНК, объяснил Стоункинг.

В случае с Джеймсом Стоункинг и его команда не могли полагаться на образцы мтДНК, взятые у его потомков, чтобы подтвердить его личность. Вместо этого они нашли живых родственников его сестры Сьюзан, у которых была такая же мтДНК, как у их матери Зерельды. Когда мтДНК потомков Сьюзан совпала с мтДНК эксгумированных останков, команда получила подтверждение.

«Это довольно убедительное доказательство того, что в могиле действительно был похоронен Джесси Джеймс», — сказал Стоункинг, который сейчас работает в Институте эволюционной антропологии Макса Планка.

Была ещё одна причина, по которой Стоункинг и его команда обратились к мтДНК, а не к ядерной ДНК, чтобы раскрыть это дело. В то время как в каждой клетке есть только две копии ядерной ДНК, митохондриального генома может быть от 100 до 10 000 копий в зависимости от типа клетки.

«Таким образом, если вы работаете с сильно повреждённым старым образцом или образцом, который сильно пострадал от воздействия окружающей среды, у вас больше шансов успешно проанализировать мтДНК, чем ядерную ДНК, просто потому, что её больше», — объяснил Стоункинг. Он отметил, что это делает мтДНК полезным инструментом в криминалистике.

У мтДНК есть ещё одно интересное свойство, которое делает её полезной для изучения родословной. Поскольку митохондриальный геном подвергается воздействию активных форм кислорода и обладает менее эффективными механизмами восстановления по сравнению с ядерной ДНК, люди быстро накапливают мутации в мтДНК. Это приводит к генетическим изменениям в мтДНК у разных людей, что облегчает идентификацию родственных популяций. «Таким образом, если мутаций очень мало, то это означает, что [у них] был очень недавний общий предок, но [если] мутаций больше, то это означает, что [их] общий предок жил в более отдалённом прошлом», — объяснил Стоункинг.

Мутации митохондриальной ДНК в условиях здоровья и болезней

Хотя высокая частота мутаций в мтДНК полезна для популяционных генетиков и судебных экспертов, известно, что некоторые мутации в мтДНК вызывают заболевания. Митохондриальные заболевания поражают одного из 4300 взрослых, что делает их одними из самых распространённых генетических нарушений.

«[Мутации мтДНК] влияют на основную функцию клетки — выработку энергии, — сказал Шухрат Миталипов, специалист по митохондриям из Орегонского университета здоровья и науки. — Вот почему любая мутация в митохондриях обычно очень сильно влияет на эмбрион, а затем и на потомство».

Хотя мутации мтДНК, передающиеся по материнской линии, могут вызывать смертельные или изнурительные синдромы у детей, тяжесть заболевания зависит от ряда факторов. Конкретный мутировавший ген влияет на то, будет ли заболевание смертельным или вызовет такие симптомы, как мышечная слабость, проблемы с сердцем и умственная отсталость.

У большинства пациентов с мутациями мтДНК также наблюдается гетероплазмия, то есть некоторые копии их мтДНК содержат мутации, а другие — нет. Доля нормальной и мутировавшей ДНК в каждой ткани влияет на тяжесть и характер симптомов заболевания. Однако оценить степень гетероплазмии непросто, что затрудняет учёным прогнозирование риска наследования митохондриальных заболеваний. Миталипов объяснил, что митохондриальный геном не реплицируется одинаково в эмбрионе после оплодотворения. Таким образом, проведение генетического скрининга эмбрионов, полученных с помощью экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), может помочь выявить эмбрионы с наименьшим количеством мутаций для переноса. Это снижает вероятность выбора эмбриона, несущего митохондриальные мутации, вызывающие заболевания, но не может полностью исключить их.

«К сожалению, с митохондриальными генами [выявление заболеваний] очень сложно, потому что наследование не является менделевским, — сказал Миталипов. — Мы так мало знаем о митохондриальной генетике».

Чтобы помочь женщинам с мутациями мтДНК иметь здоровых биологических детей, Миталипов и его команда разработали метод замены цитоплазмы и митохондрий в яйцеклетке на полученные из яйцеклетки здорового донора.

Когда в 2009 году они протестировали эту терапию по замене митохондрий на макаках-резусах, то обнаружили, что у этих обезьян родилось здоровое потомство, у которого не было выявлено никаких побочных эффектов даже десять лет спустя. Несколько лет назад исследователи протестировали терапию по замене митохондрий в клинических испытаниях для повышения успешности ЭКО и сообщили о рождении здоровых детей. Хотя у участников не было заболеваний, связанных с мтДНК, испытания показали, что эту терапию можно безопасно применять на людях.

Фото. «Мито» и «Трекер» (названия которых отсылают к процедуре визуализации митохондрий) стали первыми в мире животными, полученными с помощью переноса митохондрий. Орегонский университет здравоохранения и науки

В настоящее время клиническое применение этой терапии разрешено только в некоторых клиниках Великобритании, Греции, Украины и Австралии. Отчасти это связано с непостоянным успехом терапии. Некоторые исследователи обнаружили, что даже если один процент дефектных митохондрий остаётся в яйцеклетках, этого достаточно, чтобы они передавались будущим поколениям. Более того, учёные не до конца понимают все долгосрочные последствия методов «трёх родителей». Например, исследователи обнаружили, что мыши, несущие ядерный и митохондриальный генетический материал из двух разных источников, стареют быстрее, что указывает на необходимость дальнейшей работы.

Материнские линии влияют на восприимчивость к заболеванию мтДНК

Изучая митохондриальные заболевания, Франсуа Ван дер Вестхейзен, исследователь из Северо-Западного университета, столкнулся с детьми, у которых были типичные признаки и симптомы митохондриального мышечного расстройства. Однако он был удивлен, обнаружив, что секвенирование мтДНК не выявило каких-либо часто регистрируемых мутаций, связанных с синдромом.

Коллега Ван дер Вестхейзена Джоанна Элсон, специалист по митохондриальной генетике с опытом в области эволюционной биологии из Университета Ньюкасла, догадывалась, почему так происходит. Данные, собранные в европейских популяциях, в значительной степени составляют основу всех исследований мтДНК, хотя в африканских и европейских популяциях наблюдаются вариации мтДНК. Она задалась вопросом, можно ли объяснить отсутствие мутаций тем фактом, что изучаемая ими популяция была южноафриканского происхождения.

«Я начал задумываться о том, что, возможно, существует влияние митохондриальной линии на пенетрантность мутаций, но также возможно, что существуют мутации, характерные для определённых линий», — сказал Элсон.

Мутации мтДНК, вызывающие заболевания, различаются в зависимости от митохондриальных линий, или гаплогрупп, что подчёркивает важность контекста последовательности для проявления мутаций. Чтобы выяснить, влияет ли генетический фон, на котором возникает мутация, на проявление заболевания, Элсон и её команда получили последовательности митохондриального генома более чем 30 животных, от приматов до угрей. Они заметили, что мутации мтДНК, вызывающие заболевания у людей, не вызывают заболеваний у других животных. Кроме того, было предсказано, что некоторые варианты, которые есть у животных, не относящихся к человеческому роду, компенсируют мутации, вызывающие заболевания, что подчёркивает, что более широкий геномный контекст, в котором происходит мутация, влияет на симптомы заболевания.

Теперь исследователи, в том числе Элсон, обнаружили, что, помимо других факторов, митохондриальная наследственность человека влияет на его предрасположенность к различным заболеваниям, включая некоторые митохондриальные нарушения, сахарный диабет и даже психиатрические расстройства.

«Это означает, что, когда вы изучаете разные линии, которые вы не так хорошо изучили, вам, возможно, придётся рассматривать варианты, связанные с заболеваниями, [которые] вы раньше не рассматривали», — объяснил Элсон.

Сурита Мелдау, учёный-медик, специализирующийся на митохондриальной генетике в Кейптаунском университете, которая также является коллегой Элсона, считает, что эти результаты подчёркивают важность учёта генетического разнообразия при изучении митохондриальных заболеваний.

«Мы уже многое знаем о европейских гаплогруппах [потому что] существует много генетических данных, — сказал Мелдау. — Мы ещё многое можем узнать об африканских гаплогруппах и контексте заболеваний в африканской медицине просто потому, что у нас не так много данных».

Чтобы восполнить этот пробел, Мелдау и её команда создали лабораторию — единственную в своём роде в стране, — куда врачи со всей Южной Африки отправляют образцы пациентов для генетического тестирования. Они надеются понять, чем митохондриальные заболевания у жителей Южной Африки отличаются от заболеваний в других странах.

По словам Мелдау, предстоит ещё много работы, чтобы сделать генетический скрининг более доступным для жителей Африки. С развитием технологий секвенирования «мы только начинаем пытаться понять [африканские гаплогруппы]. Мы постепенно продвигаемся вперёд».

Устранение этих барьеров не только поможет жителям Африки, но и даст важную информацию для всего мира, отметила она. «То, что нам ещё предстоит узнать о митохондриальных заболеваниях, находится в неизученных популяциях. И существует огромное количество информации, [которая может научить нас] тому, как работают эти заболевания».

Несмотря на то, что развитие методов секвенирования значительно продвинуло изучение мтДНК по сравнению с теми днями, когда Стоункинг и его команда разгадали тайну Джесси Джеймса, многое ещё предстоит изучить. «Мы не уделяли слишком много внимания мтДНК, и поэтому мы даже не знаем, как она передаётся», — сказал Миталипов. Стоункинг согласился. «Есть некоторые фундаментальные аспекты мтДНК, которые мы до сих пор не понимаем [но] Я думаю, что новые методы открывают новые возможности ”.