Krysy rodu Stenocephalemys, které žijí ve vysokých nadmořských výškách Etiopské vysočiny, se chladnému prostředí s nedostatkem kyslíku přizpůsobily změnami mitochondrií, konkrétně vlivem mutací v jejich mitochondriální DNA. Vědci z Ústavu biologie obratlovců AV ČR odhalili v mitogenomu těchto krys působení pozitivní selekce právě v těch místech, která souvisí s buněčným dýcháním. Mezi studovanými hlodavci jsou mimo jiné i dva nové druhy, jež čeští vědci nedávno objevili.
Mitochondrie jsou organely nacházející se uvnitř eukaryotických buněk. Zde slouží jako taková elektrárna dodávající energii ostatním procesům, které v buňce probíhají. Dlouhodobě se předpokládalo, že mitochondriální DNA se vyvíjí neutrálními procesy a její evoluce není ovlivněna přírodním výběrem. To znamená, že mutace se zde v průběhu času hromadí, aniž by měly vliv na život jejich nositele. Tato teorie však byla v posledních desetiletích zpochybňována, zejména proto, že geny kódující mitochondriální proteiny jsou nezbytné pro buněčnou energetiku, a tedy pro přežití jednotlivce v různých vnějších podmínkách.
Přizpůsobivé krysy „horolezci“
Vědci z Ústavu biologie obratlovců AV ČR se zaměřili na analýzu celého mitochondriálního genomu (mitogenomu), aby zjistili, zda se v něm nacházejí místa ovlivněná přizpůsobením se vnějším podmínkám. Jako modelový organismus jim sloužily krysy rodu Stenocephalemys, které žijí v pouze v etiopských horách. Různé druhy zde obývají různé nadmořské výšky, což je ideální model právě pro výzkum role mitochondrií u výškových adaptací.
Unikátní analýza 27 kompletních mitochondriálních genomů odhalila působení pozitivní selekce u 10 z 13 mitochondriálních genů, což je důkaz úspěšného přizpůsobení se organismu vnějším podmínkám. Místa, která se v mitochondriální DNA u krys z různých nadmořských výšek lišila, byla právě ta, jež ovlivňují buněčné dýchání a tvorbu energie. Výzkum zveřejnil časopis Mitochondrion.
| Pozitivní selekce může být jednou z hlavních hnacích sil pro evoluci mitochondriálních genů pro vypořádání se s chladnějším prostředím chudším na kyslík. |
„Vyšší frekvenci pozitivně selektovaných míst jsme zjistili u fylogenetických linií vedoucích k afroalpinským druhům žijícím v nejvyšších částech Etiopské vysočiny nad 3500 metrů nad mořem,“ popisuje Veronika Bartáková, první autorka publikace. „Pozitivní selekce tedy může být jednou z hlavních hnacích sil pro evoluci mitochondriálních (OXPHOS) genů pro vypořádání se s chladnějším prostředím chudším na kyslík.“
Pozitivní selekce v mitochondriích přitom není příliš běžná. Výsledky této studie přispívají k dosavadním znalostem o adaptivním potenciálu mitogenomů a o výškových adaptacích. Příkladem může být udržení dostatečné energie navzdory hypoxii (= málo kyslíku) a hypotermii (= nízká teplota) ve vysoké nadmořské výšce vlivem adaptivních změn v mitogenomu.
„Pozitivní selekce je spojena s adaptací na nové prostředí, a tedy vznikem nových funkcí nahromaděním výhodných mutací. Nicméně její signál je často maskován negativní selekcí a je těžké ho odhalit. Bylo velmi zajímavé studovat tajemství mitogenomů za použití řady pokročilých metod u těchto zajímavých horských savců,“ dodává vedoucí týmu Josef Bryja.
Nové druhy objevené českými vědci
Dva druhy zkoumaných hlodavců rodu Stenocephalemys přitom čeští vědci v čele s Josefem Bryjou teprve loni popsali jako vědě dosud neznámé. Stenocephalemys zimai a Stenocephalemys sokolovi žijí v nadmořských výškách nad 3500 metrů a už při jejich objevu vědci doufali, že detailně prostudují, jak se tyto konkrétní druhy přizpůsobily nízkým teplotám i nízkému obsahu kyslíku v afroalpinské tundře.
Odkaz na článek v databázi Science Direct.
3D model proteinové struktury pro část komplexu I dýchacího řetězce, která je kódována mitochondriální DNA. Červeně jsou vyznačena pozitivně selektovaná místa (zjištěná v programu TreeSAAP).
Šipky s číslem ukazují konkrétní pozici pod selekcí, barevně jsou odlišené části kódované jednotlivými mtDNA geny.