Митохондрии — это «энергетические станции» организма, и без их правильной работы жизнь невозможна. Внутри них находится система окислительного фосфорилирования (OxPhos) — цепочка белковых комплексов, которая превращает кислород и питательные вещества в энергию.

Окислительное фосфорилирование (OxPhos) — процесс в митохондриях, где энергия из пищи превращается в АТФ (универсальную «энерговалюту» клетки). Это цепочка реакций, в которой кислород играет ключевую роль, а пять белковых комплексов работают как конвейер, создающий энергию для жизни.

Группа GENOXPHOS из Испанского национального центра сердечно-сосудистых исследований (CNIC) и Центра биомедицинских исследований в области старения (CIBERFES) под руководством Хосе Антонио Энрикеса выяснила, как эта система развивалась миллионы лет — от первых позвоночных до современных людей.

Понимание этой эволюции помогает объяснить, почему некоторые генетические мутации вызывают редкие, но тяжелые болезни, связанные с OxPhos, — говорит ведущий автор исследования Хосе Луис Кабрера.

Работа, опубликованная в издании Cell Genomics, раскрывает молекулярные эволюционные стратегии OxPhos — главного центра энергетического обмена в клетке. Также ученые показали, как эти данные помогут выявлять мутации, приводящие к заболеваниям.

Вместе с Фатимой Санчес-Кабо, главой группы вычислительной биомедицины CNIC, исследователи изучили взаимодействие двух типов ДНК, кодирующих белки OxPhos: ядерной (унаследованной от обоих родителей) и митохондриальной (передающейся только по материнской линии).

OxPhos состоит из пяти крупных белковых комплексов:

• Четыре переносят электроны.
• Пятый, ATP-синтаза, производит ATP — молекулярное «топливо» клетки.

Эти комплексы могут работать по отдельности или вместе, в зависимости от потребностей клетки. Всего в них входит 103 белка, закодированных в двух геномах — ядерном и митохондриальном, — объясняет Энрикес. — Ядерная ДНК меняется медленно, а ее разнообразие растет за счет генетического смешения при размножении. Митохондриальная ДНК эволюционирует быстрее, но передается только от матери.

Кабрера добавляет, что белки, закодированные в митохондриальной ДНК, образуют ядро дыхательных комплексов, поэтому их правильная работа зависит от точного соответствия между ядерными и митохондриальными компонентами.

Исследователи также разработали новый инструмент — ConScore. Это индекс, который оценивает клиническую значимость мутаций в 103 белках OxPhos.

ConScore основан на эволюционных различиях этих белков у позвоночных, включая приматов и других млекопитающих, и дополняет данные популяционной генетики человека, — говорит Энрикес.

Авторы утверждают, что ConScore поможет точнее диагностировать митохондриальные болезни и искать методы их лечения. В конечном счете, эта работа не только раскрывает эволюцию человеческих клеток, но и приближает науку к решению проблем пациентов с редкими генетическими заболеваниями.

Практическая ценность:

• Диагностика редких болезней. ConScore поможет отличать опасные мутации от безвредных, что ускорит постановку диагноза.
• Персонализированная медицина. Понимание совместимости ядерной и митохондриальной ДНК может привести к новым методам лечения, например, генной терапии.
• Изучение старения. OxPhos играет ключевую роль в возрастных изменениях — исследование открывает пути для борьбы с ними.

Исследование сосредоточено на эволюции OxPhos, но не учитывает влияние внешних факторов (экология, стресс) на работу системы. Мутации — лишь часть картины, а реальные болезни часто возникают из-за комбинации генетики и среды.

Ранее ученые выяснили роль митохондриальных белков в раке.