В многоклеточных организмах, включая человека, большая часть ДНК свернута в клеточном ядре. Небольшая часть, однако, спрятана внутри митохондрий - органелл, производящих энергию и регулирующих многие метаболические процессы внутри клетки.
В отличие от ядерной ДНК, которая наследуется от обоих родителей, митохондриальная ДНК (мтДНК) обычно передается от одного поколения к другому только через мать. Исследователи давно предполагали, что вариации в нуклеотидной последовательности малой мтДНК не влияют на функционирование клеток и не подвергаются естественному отбору. По этим причинам он считается типичным инструментом во многих областях науки, от генетики до изменения климата, для изучения истории эволюции и взаимоотношений между отдельными людьми или группами организмов.
Однако появляется все больше свидетельств того, что некоторые варианты мтДНК могут быть выбраны по сравнению с другими при определенных обстоятельствах. Новое исследование, проведенное учеными Окинавского института науки и технологий последипломного университета (OIST) в сотрудничестве с Университетом Монаша в Австралии и Университетским колледжем Лондона в Великобритании, показало, что мтДНК может подвергаться отбору даже в большей степени, чем считается в настоящее время. Доктор Зденек Лайбнер и его коллеги из отдела физики и биологии OIST под руководством профессора Джонатана Миллера провели эксперименты с плодовыми мушками (Drosophila melanogaster), чтобы продемонстрировать, как различия в температуре окружающей среды могут влиять на выбор одного варианта мтДНК над другим. «Наш проект является первым в своем роде, когда речь идет о роли теплового отбора в формировании частот мтДНК в природе», - говорит доктор. Лайбнер, ведущий автор исследования, которое было опубликовано в Scientific Reports.
Доктор Лайбнер и его коллеги изучили два встречающихся в природе варианта мтДНК, переносимых плодовыми мушками, населяющими восточное побережье Австралии. Один из этих вариантов чаще встречается в субтропической, северной части страны, где температура повышается, а другой чаще встречается в умеренной, южной части, где обычно бывает холоднее. Исследователи собрали мух с двух участков, а затем скрестили их, чтобы получить ряд популяций с одинаково смешанными генами. Затем они разделили каждую смешанную популяцию на четыре подгруппы. Каждая из четырех субпопуляций содержалась при разных температурах. Температуру в двух субпопуляциях поддерживали на постоянном уровне 19ºC и 25ºC соответственно. Температура в двух других субпопуляциях колебалась, чтобы имитировать тепловые условия двух мест, где были собраны мухи. Через три месяца исследователи секвенировали мтДНК дрозофил из всех этих субпопуляций.
Команда также изучила, как присутствие бактерий, таких как Wolbachia, которые обычно заражают плодовых мушек, влияет на выбор мтДНК. Чтобы отличить их эффект, команда обработала некоторые популяции мух антибиотиками, чтобы убить любые инфекции Wolbachia, которые они могли укрывать.
Исследователи обнаружили, что у мух, выращенных в теплых лабораторных условиях, один из двух вариантов мтДНК встречается чаще, чем другой. Было обнаружено, что тот же вариант мтДНК широко распространен у мух из более теплых северных частей Австралии. Аналогичная картина наблюдалась с другим вариантом мтДНК у мух, выращенных в холодных лабораторных условиях. Однако исследователи наблюдали этот эффект только в популяциях, где инфекция Wolbachia была уничтожена. Более того, вариации, которые они наблюдали у мужчин, не всегда совпадали с характеристиками женщин.
Результаты показывают, что изменение мтДНК в природе зависит от температуры. Они также предполагают, что дополнительные факторы, такие как пол и заражение микробами, также могут влиять на эволюцию митохондриального генома в дикой природе. «Необходимы дальнейшие исследования, чтобы идентифицировать части митохондриального генома, чувствительные к температуре окружающей среды, и понять лежащие в ее основе механизмы», - говорит доктор Лайбнер. Он также отмечает, что исследователи, использующие мтДНК в качестве генетического инструмента, должны помнить, что она эволюционирует в ответ на температурную среду.