Kam s mitochondriálním šrotem?

Pohlavní rozmnožování je mezi živočichy šlágrem, protože jim dovoluje zbavit se poškozené jaderné dědičné informace. Při tvorbě pohlavních buněk – vajíček a spermií – je dědičná informace rekombinována a redukována na polovinu. Přitom se buňce nabízí hned několik příležitostí dát vale poškozeným genům. Proto se jen vzácně setkáme s živočichy, kteří výhodami pohlavního rozmnožování pohrdli. Patří k nim vířníci pijavenky (Bdelloidea), jejichž sexuální abstinenci trvající desítky milionů let1 označil britský biolog John Maynard Smith za největší skandál evoluce. Jak to, že se dědičná informace pijavenek pod přívalem defektů ještě nerozpadla? Nejnovější výzkumy prokázaly, že si pijavenky vyvinuly neuvěřitelně výkonné mechanizmy pro opravy poškozené DNA. ²⁾ , ³⁾

Jak to, že mitochondrie nezdegenerují?

Zdá se, že není jiné cesty než spoléhat na pohlavní rozmnožování nebo je nahradit extrémně účinnou údržbou DNA. Třetí alternativou je postupná destrukce dědičné informace a nakonec vymření. Chování mitochondrií se z tohoto scénáře vymyká. V každé buňce najdeme početnou armádu těchto organel. Množí se výhradně nepohlavně a vůbec jim to nevadí. Jejich dědičná informace je přitom k mutačním haváriím náchylnější než DNA v jádru buňky. Jak to, že mitochondrie nezdegenerují? Podezření, že se skrytě věnují sexu, se nepotvrdilo. ⁴⁾ Následovaly snad vířníky a našly vlastní „opravářský postup“? A když ano, tak jaký? Díky několika objevům z poslední doby máme v těchto otázkách o trochu jasněji. ⁵⁾ , ⁶⁾ , ⁷⁾

Vajíčko v roli uklízečky

Američtí vědci vedení Douglasem C. Wallacem z Kalifornské univerzity v Irvinu prokázali, že myší vajíčka nesoucí fatální „díru“ v mitochondriální dědičné informaci jsou vymýcena velmi tvrdou selekcí. ⁵⁾ K témuž závěru dospěl i švédsko-britský tým pod vedením Nilse-Görana Larssona ze stockholmského Karolinska Institutet. ⁵⁾ Vajíčko umí oddělit zrna zdravých mitochondrií od mutovaných mitochondriálních plev. Kdy, kde a jak to dělá? Jednou z možností je buněčná sebevražda (programovaná buněčná smrt čili apoptóza) vajíček, která nabrala velkou porci mitochondrií s havarovanou DNA. ⁸⁾ Jako mnohem pravděpodobnější se zdá, že vajíčko mezi mitochondriemi důkladně uklidí. „Rozbitých“ se zbaví, „zachovalé“ si ponechá. Poškozené mitochondrie může vajíčko pohltit v procesu zvaném autofagie, jež slouží k ničení součástí vlastní buňky a jejich „recyklaci“ pro další potřebu.

Ve hře je i možnost, že vajíčko „třídí mitochondriální odpad“. Cestu mu k tomu otevírá zvláštní osud jeho vlastních mitochondrií. Vajíčko savců připravené k oplození má zhruba 200 000 mitochondrií, z nichž každá obsahuje jeden, nejvýše dva výtisky mitochondriální DNA. Po oplození se buňky embrya rychle dělí, ale jejich mitochondrie se nemnoží. To znamená, že v každé nově vzniklé buňce zárodku je mitochondrií stále méně a méně. Nakonec obsahuje jedna buňka zárodku asi stovku mitochondrií a v nich nejvýše dvě stovky výtisků mitochondriální DNA. ⁴⁾ Platí to i o buňkách, ze kterých vzniknou pohlavní buňky vyvíjejícího se jedince. ⁹⁾ Co do kvality mitochondrií představují budoucí pohlavní buňky velmi různorodou společnost. Představme si vajíčko s poškozenými i zdravými mitochondriemi jako košík s černými a bílými kuličkami. Pak lze dědění mitochondrií nově vzniklou buňkou zárodku přirovnat k namátkovému výběru hrsti kuliček. Toto „losování“ může dopadnout různě. Jednou převáží černé, podruhé bílé a jindy to dopadne „fifty-fifty“.

Poškozené mitochondrie drží pospolu

Rozdělení mitochondrií do nově vznikajících buněk není úplně náhodné. Poškozené mitochondrie drží pospolu a stejně tak i zdravé mitochondrie. Do nové buňky zárodku putují „zdravé“ a „poškozené“ mitochondrie v hloučcích, tzv. nukleoidech. ¹⁰⁾ Je to stejné, jako kdyby se nám v košíku před losováním k sobě lepily kuličky stejné barvy.

Budoucí pohlavní buňka, která si vytáhla černého Petra vyššího podílu poškozených mitochondrií, je silně hendikepována. Za celkově nízkého stavu mitochondrií jí každá defektní organela citelně chybí. V konkurenci úspěšnějších buněk s lepší konstelací mitochondrií se potomstvo postižené buňky neprosadí a mizí. To je klíč k selekci dobrých mitochondrií. Když začne zárodek v následující vývojové fázi své mitochondrie v buňkách opět množit, má k dispozici přednostně organely s dobře zachovalou DNA.

Každá pojistka občas selže

Nové objevy vysvětlují hned několik záhad. Už víme, proč je vajíčko doslova nabito mitochondriemi. Potřebuje jich vydatnou zásobu, aby mělo co rozdělovat mezi vznikající buňky embrya. Lépe také chápeme, proč se v buňkách časného zárodku nemnoží mitochondrie a proč mají jeden, nejvýše dva výtisky mitochondriální DNA. Kdyby se množily, nedal by se jejich počet srazit tak nízko, aby v některých buňkách převládly poškozené mitochondrie a organizmus se jich zbavil. Účinnost selekce poškozených organel by výrazně klesla i v případě, že by obsahovaly obvyklý počet až deseti výtisků DNA na jednu mitochondrii.

Mnohé záhady obestírající osud mitochondrií s poškozenou DNA se vyjasnily, ale zdaleka ne všechny. Víme, že organizmus je proti dědění „mitochondriálního šrotu“ dobře pojištěn. Stále však netušíme, kdy, kde a jak tyto pojistky selžou při narození člověka se závažným dědičným onemocněním vyvolaným mutací mitochondriální DNA. ¹¹⁾