Datavidenskab afslører universelle regler, der former cellers kraftværker

Mitokondrier er rum - såkaldte "organeller" - i vores celler, der giver den kemiske energiforsyning, vi har brug for til at bevæge os, tænke og leve. Kloroplaster er organeller i planter og alger, der fanger sollys og udfører fotosyntese. Ved første øjekast kan de se verdener fra hinanden. Men et internationalt team af forskere, ledet af Universitetet i Bergen, har brugt datavidenskab og beregningsbiologi til at vise, at de samme "regler" har formet, hvordan begge disse organeltyper – og mere til – har udviklet sig gennem livets historie.

Begge typer organeller var engang uafhængige organismer med deres egne fulde genomer. For milliarder af år siden blev disse organismer fanget og fængslet af andre celler - forfædrene til moderne arter. Siden da har organellerne mistet det meste af deres genom, med kun en håndfuld gener tilbage i moderne mitokondrie- og kloroplast-DNA. Disse resterende gener er essentielle for livet og vigtige i mange ødelæggende sygdomme, men hvorfor de forbliver i organel-DNA, når så mange andre er gået tabt, har været diskuteret i årtier.

For at få et nyt perspektiv på dette spørgsmål tog forskerne en datadrevet tilgang. De indsamlede data om alt organel-DNA, der er blevet sekventeret på tværs af livet. De brugte derefter modellering, biokemi og strukturel biologi til at repræsentere en lang række forskellige hypoteser om genretention som et sæt tal forbundet med hvert gen. Ved hjælp af værktøjer fra datavidenskab og statistik spurgte de, hvilke ideer der bedst kunne forklare mønstrene for tilbageholdte gener i de data, de havde kompileret – testede resultaterne med usete data for at kontrollere deres styrke.

"Der opstod nogle klare mønstre fra modelleringen," forklarer Kostas Giannakis, en postdoktor ved Bergen og fælles førsteforfatter på papiret. "Mange af disse gener koder for underenheder af større cellulære maskiner, som er samlet som en stiksav. Gener for stykkerne i midten af ​​stiksaven forbliver højst sandsynligt i organel-DNA."

Holdet mener, at dette skyldes, at det at holde lokal kontrol over produktionen af ​​sådanne centrale underenheder hjælper organellen med hurtigt at reagere på ændringer - en version af den såkaldte "CoRR"-model. De fandt også støtte til andre eksisterende, omdiskuterede og nye ideer. For eksempel, hvis et genprodukt er hydrofobt og svært at importere til organellen udefra, viser dataene, at det ofte tilbageholdes der. Gener, der selv er kodet ved hjælp af stærkere bindende kemiske grupper, bevares også oftere, måske fordi de er mere robuste i organellens barske miljø.

"Disse forskellige hypoteser er normalt blevet tænkt som konkurrerende i fortiden," siger Iain Johnston, professor ved Bergen og leder af holdet. "Men faktisk kan ingen enkelt mekanisme forklare alle observationerne - det kræver en kombination. En styrke ved denne objektive, datadrevne tilgang er, at den kan vise, at masser af ideer er delvist rigtige, men ingen udelukkende, hvilket måske forklarer den lange debat om disse emner."

Til deres overraskelse fandt holdet også ud af, at deres modeller trænet til at beskrive mitokondriegener også forudsagde tilbageholdelsen af ​​kloroplastgener og omvendt. De fandt også ud af, at de samme genetiske egenskaber, der danner mitokondrie- og chloroplast-DNA, også ser ud til at spille en rolle i udviklingen af ​​andre endosymbionter - organismer, der for nylig er blevet fanget af andre værter, fra alger til insekter.

"Det var et wow-øjeblik," siger Johnston. "Vi og andre har haft denne idé om, at lignende pres kan gælde for udviklingen af ​​forskellige organeller. Men at se dette universelle, kvantitative link - data fra en organel, der præcist forudsiger mønstre i en anden, og i nyere endosymbionter - var virkelig slående."

Undersøgelsen er publiceret i Cell Systems , og holdet arbejder nu på et parallelt spørgsmål - hvordan forskellige organismer opretholder de organelgener, som de bevarer. Mutationer i mitokondrielt DNA kan forårsage ødelæggende arvelige sygdomme; holdet bruger modellering, statistik og eksperimenter til at udforske, hvordan disse mutationer håndteres hos mennesker, planter og mere. + Udforsk yderligere

Nye spor til, hvordan planter bevarer sunde genomer, undgår mitokondriesygdom