È uno dei grandi misteri della biologia cellulare. Perché i mitocondri-le strutture ovali che alimentano le nostre cellule—hanno il loro DNA, e perché lo hanno mantenuto quando la cellula stessa ha molto del proprio materiale genetico? Un nuovo studio potrebbe aver trovato una risposta.
Gli scienziati pensano che i mitocondri fossero un tempo organismi unicellulari indipendenti fino a quando, più di un miliardo di anni fa, furono inghiottiti da cellule più grandi., Invece di essere digeriti, si stabilirono e svilupparono una relazione reciprocamente vantaggiosa sviluppata con i loro ospiti che alla fine permise l’ascesa di una vita più complessa, come le piante e gli animali odierni.
Nel corso degli anni, il genoma mitocondriale si è ridotto. Il nucleo ora ospita la stragrande maggioranza del materiale genetico della cellula – anche i geni che aiutano la funzione dei mitocondri. Nell’uomo, ad esempio, il genoma mitocondriale contiene solo 37 geni, contro i 20.000 del nucleo. Nel corso del tempo, la maggior parte dei geni mitocondriali sono saltati nel nucleo., Ma se quei geni sono mobili, perché i mitocondri hanno mantenuto tutti i geni, soprattutto considerando che le mutazioni in alcuni di questi geni possono causare malattie rare ma paralizzanti che distruggono gradualmente il cervello, i fegati, i cuori e altri organi chiave dei pazienti.
Gli scienziati hanno gettato alcune idee, ma non ci sono stati dati concreti per sceglierne uno su un altro.,
Così Iain Johnston, biologo dell’Università di Birmingham nel Regno Unito, e il biologo Ben Williams del Whitehead Institute for Biomedical Research di Cambridge, Massachusetts, hanno modellato il problema, confrontando matematicamente diverse ipotesi per la prima volta. Hanno analizzato più di 2000 diversi genomi mitocondriali di animali, piante, funghi e protisti (come le amebe). Hanno tracciato il loro percorso evolutivo, creando un algoritmo che ha calcolato le probabilità che diversi geni e combinazioni di geni sarebbero persi in particolari punti nel tempo.,
“Questo è uno degli aspetti innovativi di questo lavoro, che utilizza la modellazione che normalmente non è inclusa in questo tipo di studi”, afferma Keith Adams, un biologo dell’Università della British Columbia, Vancouver, in Canada, che non è stato coinvolto nella ricerca.
I mitocondri producono energia attraverso una serie di reazioni chimiche che passano elettroni lungo una membrana. La chiave di questo processo è una serie di complessi proteici, grandi globi proteici che si incorporano nella membrana interna dei mitocondri. Tutti i geni rimanenti dei mitocondri aiutano a produrre energia in qualche modo., Ma il team ha scoperto che un gene era più probabilità di rimanere in giro se ha creato una proteina che era centrale per uno di questi complessi. I geni responsabili di più funzioni periferiche di produzione di energia, nel frattempo, avevano maggiori probabilità di essere esternalizzati al nucleo, il gruppo riporta oggi in Cell Systems.
“Mantenere quei geni localmente nei mitocondri dà alla cellula un modo per controllare individualmente i mitocondri”, dice Johnston, perché le proteine cardine vengono create nei mitocondri stessi., Questo controllo locale significa che la cellula può regolare in modo più rapido ed efficiente la produzione di energia momento per momento nei singoli mitocondri, invece di dover apportare modifiche radicali alle centinaia o migliaia di mitocondri che contiene. Per esempio, out-of-whack mitocondrio può essere fissato individualmente piuttosto che innescare una coperta, risposta a livello cellulare che potrebbe poi gettare qualcos’altro fuori equilibrio.
È come rispondere a un incendio, dice John Allen, un biologo dell’University College di Londra che non è stato coinvolto nello studio., Se una stanza singola in un grande edificio va in fiamme, non si telefona al direttore dell’edificio per chiedere il permesso di spegnerlo. Prendi un estintore e miri.
“Penso che sia un meccanismo di feedback molto fondamentale”, dice Allen. Nella sua ricerca, ha trovato prove che suggeriscono che la produzione di alcune proteine mitocondriali proprio dove sono necessarie aiuta la cellula a regolare meglio la produzione di energia. Altre strutture nelle nostre cellule potrebbero anche beneficiare di questo tipo di controllo locale., Ma i mitocondri, con la loro storia come cellule stand-alone, sono gli unici con un proprio centro di comando.
Il modello di Johnston e Williams sottolinea altri fattori che potrebbero essere importanti. Per esempio, i geni che codificano le proteine mitocondriali che sono idrofobiche, o idrorepellenti, sono più probabili essere fatti nei mitocondri. Se queste proteine sono prodotte altrove nella cellula, a volte possono rimanere bloccate in transito, quindi può essere più efficiente produrle nei mitocondri.,
La composizione chimica dei geni stessi può anche influenzare la probabilità che si attacchino. I geni che sono chimicamente in grado di resistere alle dure condizioni all’interno dei mitocondri invece di essere scomposti potrebbero avere maggiori probabilità di persistere.
Johnston pensa che il programma per computer che lui e Williams hanno sviluppato è buono per più di un semplice spulciando tra i genomi mitocondriali. L’algoritmo può analizzare qualsiasi problema in cui i tratti individuali vengono persi o acquisiti nel tempo, sia che si tratti di geni o sintomi di una malattia., Egli spera che il modello sarà utile per le previsioni future lungo queste linee, come guardare percorsi di progressione della malattia.
