Скорошни изследвания показват, че митохондриите редовно вмъкват ДНК в ядрата на мозъчните клетки, процес, който може да се интегрира с нашите хромозоми и вероятно да съкрати живота ни, като повлияе на клетъчните функции.

Според изследването тези вмъквания на митохондриална ДНК могат да бъдат свързани с ранна смърт.

Митохондриите в мозъчните клетки често вкарват своята ДНК в ядрото, което потенциално влияе върху продължителността на живота, тъй като е установено, че хората с повече вмъквания умират по-рано. Стресът изглежда ускорява този процес, което предполага нов начин, по който митохондриите влияят на здравето извън производството на енергия.

Като преки потомци на древни бактерии, митохондриите винаги са били малко странни. Сега проучване показва, че митохондриите вероятно са дори по-странни, отколкото се предполагаше.

Митохондриите в нашите мозъчни клетки често прехвърлят своя ДНК в ядрото, където ДНК се интегрира в клетъчните хромозоми. И тези вмъквания може да причиняват вреда: сред близо 1200 участници в проучването, тези с повече вмъквания на митохондриална ДНК в мозъчните им клетки е по-вероятно да умрат по-рано от тези с по-малко вмъквания.

„Мислехме, че прехвърлянето на ДНК от митохондриите към човешкия геном е рядко явление“, коментира Мартин Пикард (Martin Picard), митохондриален психобиолог и доцент по поведенческа медицина в колежа по лекари и хирурзи на Колумбийския университет. Пикард ръководи проучването с Райън Милс (Ryan Mills) от Мичиганския университет.

„Удивително е, че се случва по няколко пъти през живота на човек“, добавя Пикард. „Намерихме много от тези вмъквания в различни области на мозъка, но не и в кръвните клетки, обяснявайки защо десетки по-ранни проучвания, анализиращи кръвна ДНК, са пропуснали този феномен."
Митохондриалната ДНК се държи като вирус

Митохондриите живеят във всички наши клетки, но за разлика от други органели, митохондриите имат своя собствена ДНК, малка кръгла верига с около три дузини гени. Митохондриалната ДНК е остатък от предшествениците на органелите: древни бактерии, които са се заселили в нашите едноклетъчни предци преди около 1,5 милиарда години.

През последните няколко десетилетия изследователите са открили, че митохондриалната ДНК от време на време „прескача“ от органела в човешките хромозоми.

„Митохондриалната ДНК се държи подобно на вирус, тъй като използва разрези в генома и се вмъква вътре, или като скачащи гени, наречени ретротранспозони, които се движат около човешкия геном“, разказва Милс.

Вмъкванията се наричат ​​ядрено-митохондриални сегменти - NUMT - и се натрупват в нашите хромозоми в продължение на милиони години.

„В резултат на това всички ние се разхождаме със стотици рудиментарни, предимно доброкачествени митохондриални ДНК сегменти в нашите хромозоми, които сме наследили от нашите предци“, обяснява Милс.

Вмъкванията на митохондриална ДНК са често срещани в човешкия мозък

Изследванията само през последните няколко години показват, че такива вмъквания се случват и днес.

„Прескачането на митохондриална ДНК не е нещо, което се е случвало само в далечното минало“, отбелязва Калпита Каран (Kalpita Karan), постдокторант в лабораторията на Пикард, която провежда изследването с Уейчън Джоу (Weichen Zhou), изследовател в лабораторията на Милс. „Рядко е, но нов NUMT се интегрира в човешкия геном приблизително веднъж на всеки 4000 раждания. Това е един от многото начини, запазени от дрождите до хората, по които митохондриите общуват с ядрените гени.

Осъзнаването, че все още се създават нови наследени NUMT, кара Пикард и Милс да се запитат дали NUMT могат да възникнат и в мозъчните клетки по време на нашия живот.

„Наследствените NUMT са предимно доброкачествени, вероятно защото възникват рано в развитието си и вредните се отстраняват“, разказва Джоу. Но ако част от митохондриална ДНК се вмъкне в ген или регулаторна област, това може да има важни последици за здравето или продължителността на живота на този човек. Невроните могат да бъдат особено податливи на увреждане, причинено от NUMT, защото когато невронът е повреден, мозъкът обикновено не създава нова мозъчна клетка, която да заеме мястото му.

За да проучи степента и въздействието на новите NUMT в мозъка, екипът работи с Ханс Клайн, асистент в Центъра за транслационна и изчислителна невроимунология в Колумбия, който има достъп до ДНК последователности от участници в проучването за стареене ROSMAP (водено от Дейвид Бенет в университета Ръш). Изследователите са търсили NUMT в различни региони

Изследователите търсят NUMT в различни региони на мозъка, използвайки тъканни проби от повече от 1000 възрастни хора.

Техният анализ показва, че вмъкването на ядрена митохондриална ДНК се случва в човешкия мозък - най-вече в префронталния кортекс - и вероятно няколко пъти през целия живот на един човек.

Те също така установяват, че хората с повече NUMT в техния префронтален кортекс умират по-рано от индивидите с по-малко NUMT.

„Това предполага за първи път, че NUMT могат да имат функционални последици и вероятно могат да повлияят на продължителността на живота“, коментира Пикард. „Натрупването на NUMT може да се добави към списъка с механизми за нестабилност на генома, които могат да допринесат за стареенето, спада на когнитивните функции и продължителността на живота."
Стресът ускорява случаите на NUMT

Какво причинява NUMT в мозъка и защо в някои региони се натрупват повече от други?

За да разберат това, изследователите разглеждат популация от клетки на човешка кожа, които могат да бъдат култивирани и състарявани в лабораторен съд в продължение на няколко месеца, което позволява изключителни надлъжни проучвания за „продължителност на живота“.

Тези култивирани клетки постепенно натрупват няколко NUMT на месец и когато митохондриите на клетките са подложени на стрес, натрупват NUMT четири до пет пъти по-бързо.

„Това демонстрира нов начин, по който стресът може да повлияе на биологията на нашите клетки“, каоментира Каран. „Стресът прави митохондриите по-склонни да освободят части от своята ДНК и тези части могат след това да „заразят“ ядрения геном“, добавя Джоу.

Това е само един от начините, по който митохондриите оформят нашето здраве извън производството на енергия.

„Митохондриите са клетъчни процесори и мощна платформа за сигнализиране“, отбелязва Пикард. „Знаехме, че те могат да контролират кои гени се включват или изключват. Сега знаем, че митохондриите могат дори да променят самата последователност на ядрената ДНК."

Справка: „Somatic nuclear mitochondrial DNA insertions are prevalent in the human brain and accumulate over time in fibroblasts“ by Weichen Zhou, Kalpita R. Karan, Wenjin Gu, Hans-Ulrich Klein, Gabriel Sturm, Philip L. De Jager, David A. Bennett, Michio Hirano, Martin Picard and Ryan E. Mills, 22 August 2024, PLOS Biology. DOI: 10.1371/journal.pbio.3002723

Източник: Scientists Have Discovered Strange DNA in Our Brains – and It Could Be Shortening Our Lives, Columbia University Irving Medical Center