На продолжительность жизни человека может влиять нумтогенез

Вставки митохондриальной ДНК (мтДНК) в ядерный геном обнаруживают в клетках человека и других животных. Эти вставки называют Numt (от nuclear и mtDNA), а процесс их появления в геноме назвали нумтогенезом. Вставки в клетках зародышевой линии передаются затем следующим поколениям. Но Numt возникают также и в соматических клетках. Они могут играть роль в онкогенезе и других патологических процессах, включая генетические заболевания. Авторы статьи, опубликованной в PLоS Biology, установили, что Numt присутствуют в нейронах человека, причем большее количество вставок ассоциировано с меньшей продолжительностью жизни индивида. Кроме того, Numt накапливаются в геномах фибробластов, которые выращивают in vitro.

Авторы измерили количество Numt в 1187 посмертных образцах ткани мозга и крови. Для их выявления использовали специальный алгоритм dinumpt, который применили к данным полногеномного секвенирования образцов из когорты ROSMAP (проект, в котором исследуются возрастные заболевания, прежде всего связанные с ухудшением моторных и когнитивных функций). Были исследованы образцы различных структур мозга, а именно 466 образцов дорсолатеральной префронтальной коры, 260 — мозжечка, 68 — задней поясной извилины коры и четыре образца переднего хвостатого ядра. Для сравнения взяли 366 образцов цельной крови и 23 мононуклеаров периферической крови (образцы крови были отрицательным контролем, так как в делящихся клетках Numt почти не накапливаются). В общзей сложности выявили 3758 Numt.

Исследователи отмечают, что у многих образцов покрытие при секвенировании было слишком низким и не подходило для выявления мозаицизма в пределах одного образца, но целью исследования было выявление мозаицизма между разными образцами. Из числа выявленных Numt удалили те, что часто встречаются в клетках зародышевой линии. Предполагалось, что оставшиеся редкие Numt зародышевой линии будут присутствовать в образцах с постоянной частотой, не зависящей от возраста и состояния когнитивных способностей, а если будут наблюдаться различия, то они будут вызваны именно вставками в соматических клетках.

К сожалению, у авторов было мало образцов разного типа от одного и того же человека, поэтому не было возможности напрямую отличить герминальные варианты от соматических, сравнивая различные ткани. Чтобы исключить некоторые неуникальные Numt, авторы использовали данные 1000 Genomes Project и британского проекта 100,000 Genomes; выяснилось, что 45 Numt из 3758 встречаются и у других людей. Для оставшихся 3713 сравнили их встречаемость в разных тканях.

Длина Numt варьировала от 22 пар оснований (п.о.) до 8172 п.о. Больше всего тканеспецифичных Numt было выявлено в дорсолатеральной префронтальной коре мозга (среднее количество 4,13 на человека, тогда как в образцах из задней поясной извилины — 1,71, а в других участках мозга еще меньше), причем количество копий мтДНК в образцах коррелировало с количеством Numt. Интересно, что Numt в дорсолатеральной префронтальной коре, мозжечке и задней поясной извилине коры были гораздо длиннее, чем в других структурах. Тот факт, что в неделящихся клетках Numt больше, чем в делящихся, говорит об их накоплении с возрастом.

Авторам работы удалось показать, что Numt, специфичные к дорсолатеральной префронтальной коре, точнее, скорость их накопления, обратно коррелируют с продолжительностью жизни человека. Индивиды без когнитивных нарушений, у которых было больше Numt в тканях этой области мозга, умирали раньше. Геном клеток мозга тех, кто умер в относительно молодом возрасте, содержал примерно на два Numt больше за каждое десятилетие потерянной жизни, чем у тех, кто прожил дольше. В группе с болезнью Альцгеймера такой связи проследить не удалось.

Выяснилось также, что Numt со временем накапливаются не только в нейронах, но и в фибробластах человека in vitro. Авторы работы культивировали первичные (то есть полученные напрямую из организма) фибробласты от трех неродственных здоровых доноров в физиологических условиях; в такой культуре клетки со временем проявляют признаки клеточного старения. Через определенные промежутки времени исследователи отбирали клетки и проводили полногеномное секвенирование, чтобы отследить накопление Numt. Действительно, со временем Numt появлялись и в геномах фибробластов (в среднем по одному за каждые 12,6 дня, что гораздо быстрее накопления других соматических структурных вариаций. Причем вставки происходили независимо в разных клетках, это не была клональная экспансия, то есть преимущественное размножение потомков одной клетки, несущей вставки.

Наконец, авторы проверили на фибробластах в культуре, влияет ли на скорость нумтогенеза стрессовые факторы или ингибирование митохондриального фосфорилирования. Ни дексаметазон, агонист глюкокортикоидных рецепторов, ни подавляющий синтез АТФ олигомицин не оказали статистически значимого воздействия на приобретение Numt. Однако в фибробластах доноров с генетическим дефектом системы окислительного фосфорилирования (мутации в SURF1, вызывающие дефицит цитохром с оксидазы) не только накапливаются крупномасштабные делеции мтДНК, но и почти в пять раз быстрее возникают Numt.

Продолжающийся перенос митохондриальной ДНК в ядерный геном эукариот, включая клетки зародышевой линии, «позволяет предположить, что событие эндосимбиоза, начавшееся 1,5 миллиарда лет назад, все еще продолжается», пишут авторы статьи. Полученные ими данные показывают, что интенсивность нумтогенеза различается в разных регионах мозга, и накопление Numt, по-видимому, неблагоприятно для здоровья.