Отсутствие микробиома сделало дрозофил гиперактивными
Кишечные бактерии оказывают влияние на двигательную активность мух-дрозофил — дрозофилы без микробиома передвигаются быстрее и дольше, чем мушки с микробиомом. На подвижность мух влияет белок ксилоизомераза, вырабатываемый одной из преобладающих в микробиоме бактерией Lactobacillus brevis, говорится в исследовании, опубликованном в Nature.
Исследования поведения животных в первую очередь сосредоточены на центральной нервной системе и в последнее появляются данные о том, что связь между кишечником и мозгом может влиять на такие поведенческие аспекты как тревога, познавание и социальные взаимодействия. Не так давно стало известно, что кишечный микробиом влияет на развитие и особенности работы нервной системы у мышей. Однако, влияют ли кишечные бактерии на двигательную активность, и если да, то как это происходит, до сих пор было неизвестно.
Кэтрин Шреттер (Catherine E. Schretter) из Калифорнийского Технологического института в США и ее коллеги решили исследовать взаимодействие микробиома и его хозяина на классическом лабораторном объекте — плодовой мушке (Drosophila melanogaster). Ученые наблюдали за передвижением самок мушек нескольких генетических линий в присутствии и в отсутствии кишечной флоры. Когда мушки были выращены без микробиоты в кишечнике, они становились гиперактивными — средняя скорость их перемещения и продолжительность периодов ходьбы были выше, а паузы между перемещениями были короче, чем у мушек с нормальной микробиотой. Мушки выращенные с нормальной кишечной микробиотой, но накормленные антибиотиками, также демонстрировали гиперактивность.
В кишечнике дрозофил обитает от пяти до 20 видов бактерий, два вида доминируют, имея примерно одинаковую плотность населения — Lactobacillus brevis и Lactobacillus plantarum, поэтому именно на эти бактерии ученые обратили внимание в первую очередь. У полностью сформированных особей дрозофил без кишечной флоры, которым заселили только Lactobacillus brevis, произошло снижение подвижности, в то время как заселение Lactobacillus plantarum не повлияло на активность. При этом введение мухам убитых клеток Lactobacillus brevis не влияло на активность, — следовательно, на активность мухи влияют только метаболически активные бактерии.
С помощью биохимическиго анализа исследователи обнаружили белок ксилоизомеразу, который мог быть фактором, влияющим на подвижность, так как присутствовал только в Lactobacillus brevis и Escherichia coli. Этот белок вызывает обратимую изомеризацию некоторых сахаров. Введение мухам ксилоизомеразы снизило подвижность мух-дрозофил, так что, похоже, именно этот белок влияет на активность дрозофил. Авторы предполагают, что это происходит с помощью изомеризации ключевых углеводов, например, трегалозы.
Чтобы подтвердить свое предположение, авторы сделали генномодифицированные бактерии Lactobacillus brevis, у которых был удален ген ксилоизомеразы. Оказалось, что модифицированный штамм действительно не влияет на подвижность мушек. Исследователи отмечают, что необходима дальнейшая работа для определения нейронов и процессов, происходящих в нервной системе под влиянием бактериальной ксилоизомеразы, а также эксперименты на других модельных организмах.
Исследования микробиома в последние годы очень популярны и дают много интересных результатов. Ранее мы писали о том, что микробиом регулирует экспрессию целого ряда генов у многих видов, микробиом марафонцев превратят в пищевые добавки, а по следам микробиома можно будет опознать преступника.
Александра Кочеткова
Но увеличиться в размерах им не удалось
Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре. Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10−8 против 3,13 × 10−8 (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально). Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ22 = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила. Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались. Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки. Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы. В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.