Mitochondriën zijn compartimenten - zogenaamde "organellen" - in onze cellen die zorgen voor de chemische energievoorziening die we nodig hebben om te bewegen, denken en leven. Chloroplasten zijn organellen in planten en algen die zonlicht opvangen en fotosynthese uitvoeren. Op het eerste gezicht lijken ze misschien een wereld van verschil. Maar een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Bergen, heeft datawetenschap en computationele biologie gebruikt om aan te tonen dat dezelfde 'regels' hebben gevormd hoe beide soorten organellen - en meer - zich in de loop van de geschiedenis van het leven hebben ontwikkeld.

Beide soorten organellen waren ooit onafhankelijke organismen, met hun eigen volledige genomen. Miljarden jaren geleden werden die organismen gevangen genomen en opgesloten door andere cellen - de voorouders van moderne soorten. Sindsdien hebben de organellen het grootste deel van hun genomen verloren, met slechts een handvol genen in het moderne mitochondriaal en chloroplast-DNA. Deze resterende genen zijn essentieel voor het leven en belangrijk bij veel verwoestende ziekten, maar waarom ze in het DNA van organellen blijven, terwijl er zoveel andere verloren zijn gegaan, wordt al tientallen jaren besproken.

Voor een frisse kijk op deze vraag kozen de wetenschappers voor een datagedreven aanpak. Ze verzamelden gegevens over al het organel-DNA dat gedurende het hele leven is gesequenced. Vervolgens gebruikten ze modellering, biochemie en structurele biologie om een ​​breed scala aan verschillende hypothesen over genenretentie weer te geven als een reeks getallen die bij elk gen horen. Met behulp van tools uit datawetenschap en statistiek vroegen ze welke ideeën het beste de patronen van behouden genen in de gegevens die ze hadden verzameld konden verklaren, waarbij ze de resultaten testten met onzichtbare gegevens om hun kracht te controleren.

"Uit de modellering kwamen enkele duidelijke patronen naar voren", legt Kostas Giannakis uit, een postdoctoraal onderzoeker in Bergen en mede-eerste auteur van het artikel. "Veel van deze genen coderen voor subeenheden van grotere cellulaire machines, die als een puzzel zijn samengesteld. Genen voor de stukjes in het midden van de puzzel blijven hoogstwaarschijnlijk in het organel-DNA."

Het team is van mening dat dit komt omdat het houden van lokale controle over de productie van dergelijke centrale subeenheden het organel helpt snel te reageren op veranderingen - een versie van het zogenaamde "CoRR" -model. Ze vonden ook steun voor andere bestaande, besproken en nieuwe ideeën. Als een genproduct bijvoorbeeld hydrofoob is en moeilijk van buitenaf in het organel te importeren, blijkt uit de gegevens dat het daar vaak wordt vastgehouden. Genen die zelf worden gecodeerd met sterker bindende chemische groepen, worden ook vaker behouden, misschien omdat ze robuuster zijn in de ruwe omgeving van het organel.

"Deze verschillende hypothesen werden in het verleden meestal als concurrerend beschouwd", zegt Iain Johnston, een professor in Bergen en leider van het team. "Maar eigenlijk kan geen enkel mechanisme alle waarnemingen verklaren - er is een combinatie voor nodig. Een sterk punt van deze onbevooroordeelde, gegevensgestuurde benadering is dat het kan aantonen dat veel ideeën gedeeltelijk juist zijn, maar niet uitsluitend, wat misschien het lange debat verklaart. over deze onderwerpen."

Tot hun verbazing ontdekte het team ook dat hun modellen die waren getraind om mitochondriale genen te beschrijven, ook de retentie van chloroplast-genen voorspelden, en vice versa. Ze ontdekten ook dat dezelfde genetische kenmerken die het mitochondriaal en chloroplast-DNA vormen, ook een rol lijken te spelen in de evolutie van andere endosymbionten - organismen die recenter zijn gevangen door andere gastheren, van algen tot insecten.

"Dat was een wow-moment", zegt Johnston. "Wij en anderen hadden het idee dat vergelijkbare druk zou kunnen gelden voor de evolutie van verschillende organellen. Maar om deze universele, kwantitatieve link te zien - gegevens van het ene organel die precies patronen voorspellen in een ander, en in meer recente endosymbionten - was echt opvallend."

De studie is gepubliceerd in Cell Systems , en het team werkt nu aan een parallelle vraag:hoe verschillende organismen de organelgenen behouden die ze behouden. Mutaties in mitochondriaal DNA kunnen verwoestende erfelijke ziekten veroorzaken; het team gebruikt modellering, statistieken en experimenten om te onderzoeken hoe deze mutaties worden aangepakt bij mensen, planten en meer. + Verder verkennen

Nieuwe aanwijzingen over hoe planten gezonde genomen behouden, mitochondriale ziekte vermijden