Datavitenskap avslører universelle regler som former «cellenes kraftverk»
En ny artikkel i tidsskriftet Cell Systems viser at alle cellulære «kraftverk», som mitokondrier, plantekloroplaster og flere, har utviklet seg i henhold til et universelt sett med regler.
Hovedinnhold
I artikkelen forklarer et internasjonalt team av forskere, ledet av professor Iain Johnston ved Universitetet i Bergen, hvordan disse reglene avgjør hvorfor disse organellene beholder sitt eget DNA i stedet for å miste det til vertscellene.
Forskningen er en del av et bredere prosjekt finansiert av Det europeiske forskningsråd (ERC), og bygger videre på funn forskningsgruppen tidligere har publisert om mitokondrier. Les mer om dette i Science.
Samme «regler» i utviklingen
Mitokondrier er strukturer - såkalte "organeller" - i cellene våre som gir den kjemiske energiforsyningen vi trenger for å bevege oss, tenke og leve. Kloroplaster er på sin side organeller i planter og alger, som fanger opp sollys og utfører fotosyntese. Ved første øyekast kan de se vidt forskjellige ut. Men et internasjonalt team av forskere, ledet av Universitetet i Bergen, har nå brukt datavitenskap og beregningsbiologi for å vise at de samme «reglene» har formet hvordan både mitokondrier og kloroplaster – og flere andre organeller – har utviklet seg.
Professor Iain Johnston ved Universitetet i Bergen er leder for forskergruppen. Han forklarer at begge typene organeller en gang var uavhengige organismer, med sine egne genomer. For milliarder av år siden ble disse organismene «fanget» av andre celler – som var forfedrene til moderne arter. Siden den gang har organellene mistet det meste av genomet sitt, og i dagens mitokondrie- og kloroplast-DNA, finner vi bare et fåtall av disse genene.
De gjenværende genene er både essensielle for selve livet og i mange ødeleggende sykdommer, men hvorfor de forblir i organell-DNA – når så mange andre har gått tapt – har vært diskutert i flere tiår.
Oppdaget klare mønstre
For å finne et nytt perspektiv på dette spørsmålet, tok forskerne en datadrevet tilnærming. De samlet data om organell-DNA, og brukte modellering, biokjemi og strukturell biologi for å representere et bredt spekter av hypoteser om gen-retensjon som et sett med tall assosiert med hvert gen. Ved å bruke verktøy fra datavitenskap og statistikk undersøkte de hvilke ideer som best kunne forklare mønstrene til gener i det innsamlede datamaterialet.
- Noen klare mønstre dukket opp fra modelleringen, forklarer Kostas Giannakis, postdoktor ved Universitetet i Bergen og medforfatter av artikkelen.
- Mange av disse genene gir koder for underenheter av større cellulære drivkrefter, som er satt sammen på en måte som ligner et puslespill. Det er mest sannsynlig at gener for bitene i midten av puslespillet forblir i DNA fra organeller.
Kan forklare lang faglig diskusjon
Teamet tror at det å holde lokal kontroll over produksjonen av slike sentrale underenheter hjelper organellen til å raskt reagere på endringer - en versjon av den såkalte "CoRR"-modellen.
De fant også støtte for andre eksisterende, omdiskuterte og nye ideer. For eksempel, hvis et genprodukt er hydrofobt – og vanskelig å importere til organellen utenfra – viser dataene at det ofte beholdes der. Gener som i seg selv er kodet ved hjelp av sterkere bindende kjemiske grupper blir også oftere beholdt – kanskje fordi de er mer robuste i det harde miljøet i organellen.
- Disse forskjellige hypotesene har vanligvis blitt sett på som konkurrerende tidligere, sier Iain Johnston.
Han legger til:
- Men faktisk kan ingen enkelt mekanisme forklare alle observasjonene - det krever en kombinasjon. En styrke ved denne objektive, datadrevne tilnærmingen er at den kan vise at mange ideer er delvis riktige, men ingen utelukkende riktige – og kanskje kan det forklare den lange faglige diskusjonen om disse temaene.
- Et wow-øyeblikk
Forskergruppen ble overrasket over å finne at modellene for å beskrive mitokondrielle gener, også forutså retensjon av kloroplastgener, og omvendt. De fant også at de samme genetiske egenskapene som former mitokondrie- og kloroplast-DNA, også ser ut til å spille en rolle i utviklingen av andre endosymbionter - organismer som nylig har blitt fanget av andre verter, fra alger til insekter.
- Det var et wow-øyeblikk, sier Johnston. - Vi – og andre – har hatt en idé om at lignende prosesser kan gjelde for utviklingen av forskjellige organeller. Men å se denne universelle, kvantitative koblingen – data fra en organell som presist forutsier mønstre i en annen, og i nyere endosymbionter – var virkelig slående.
Forskningen er en del av et bredere prosjekt finansiert av Det europeiske forskningsråd (ERC). Teamet jobber nå også med et parallelt spørsmål – hvordan ulike organismer opprettholder organellegenene som de beholder. Mutasjoner i mitokondrielt DNA kan forårsake ødeleggende arvelige sykdommer; teamet bruker modellering, statistikk og eksperimenter for å utforske hvordan disse mutasjonene håndteres hos mennesker, planter og andre organismer.
