Активный кислород из митохондрий «пожалел» большую часть ядерной ДНК
Ученые придумали эксперимент, проверяющий способность активных форм кислорода из митохондрий повредить ДНК в ядре. Повреждения в митохондриях привели к тому, что клетка перестала делиться, а теломеры хромосом оказались повреждены. При этом другие участки ДНК остались без повреждений. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Митохондрии занимаются выработкой энергии для наших клеток и при работе выделяют опасные «отходы». Самые известные из них — активные формы кислорода (АФК), и их «утечка» из митохондрий может оказаться опасной для клетки. АФК, как следует из названия, легко вступают в реакции и в частности могут повредить ДНК. Однако тот факт, что АФК при аварии в митохондриях может просочиться наружу через их мембраны, преодолеть мембрану отделяющую ядро клетки от цитоплазмы и повредить ДНК еще не удавалось зафиксировать напрямую, хотя косвенных свидетельств тому накопилось достаточно.
В лаборатории Беннета ван Хаутена (Bennett Van Houten) в Питтсбургском университете придумали эксперимент, который бы позволил бы наглядно продемонстрировать эффект от утечки активного кислорода из митохондрий. Для этого они использовали культуру клеток с модифицированными митохондриями. В них встроили фоточувствительную систему, которая в присутствии вещества-включателя и облучении светом начитала вырабатывать короткоживущие АФК в матриксе митохондрий.
Спустя четыре часа после начала эксперимента, то есть после того, как клетки были инкубированы с «включателем» и облучены светом, исследователи обнаружили признаки того, что с митохондриями что-то не так: по сравнению со всеми тремя контролями (только облучение светом, только инкубация с веществом-включателем или совсем ничего) клетки начали потреблять меньше кислорода. Предположительно, дальше отравление активным кислородом должно было привести к появлению дыр в мембране митохондрий, потере заряда на них, выпуску цитохрома с и смерти клетки. 24 часа спустя исследователи действительно обнаружили, что митохондрии фрагментированы, а их ДНК серьезно повреждена — примерно на каждые двенадцать с половиной тысяч пар нуклеотидов приходилось по одному повреждению.
Вопреки ожиданиям ученых, выброс АФК не привел клеточной смерти ни за одни сутки, ни за двое: клетки просто замедлили свой рост и перестали делиться. Более того, анализ методом ДНК-комет показал, что ядерная ДНК в клетках цела и на ней нет ни одноцепочечных, ни двухцепочечных разрывов. Ввиду такого количества АФК в клетке это было необычно, и дополнительная проверка всё-таки нашла места повреждения. Оказалось, что они не распределены по ДНК равномерно, а сконцентрированы на теломерах — хвостиках хромосом. По данным других исследований эти участки восприимчивее остальной ДНК к повреждениям перекисью водорода, в которую быстро превращался активный кислород из митохондрий. К концу второго дня эксперимента многие теломеры оказались повреждены или совсем разрушены.
Теломеры выполняют много функций в клетке. Они защищают концы хромосом от нападения ферментов и играют важную роль к клеточном цикле. От их длины зависит способность клетки оставаться молодой и делиться. Кроме того, недавно было показано, что по скорости их укорачивания можно довольно точно предсказать и ожидаемую продолжительность жизни.
Вера Мухина
И помогли начать половой акт
Американские ученые выяснили, что тельца Краузе в половом члене и клиторе мышей возбуждаются при легких прикосновениях и механических вибрациях с частотой 40-80 герц. Специфические для этих рецепторов нейроны в спинальных ганглиях передают информацию в серую спайку спинного мозга в пояснично-крестцовом отделе. Мыши без телец Краузе с трудом начинали половой акт, а самцы реже достигали эякуляции, что говорит об их важной роли в сексуальном поведении. Препринт работы опубликован на сайте bioRxiv.org. Кожа человека хорошо иннервирована: по всему телу располагаются рецепторы, которые представлены как свободными нервными окончаниями, отвечающими за основную перцепцию прикосновений, температуры и боли, так и нервными окончаниями, заключенными в капсулу. Считается, что они ответственны за перцепцию специфических воздействий. Например, тельца Пачини воспринимают грубое механическое давление, а тельца Руффини — растяжение. Долгое время считалось, что колбы Краузе в надсосочковом слое дермы специфически воспринимают холод, однако дальнейшие исследования этого не подтвердили. При этом еще в конце XIX века Вильгельм Краузе, который впервые описал эти рецепторы, обнаружил их в губах, языке и гениталиях человека. В половом члене и клиторе они выглядят иначе (в этих местах они называются тельца Краузе, или генитальные тельца): они имеют цилиндрическую форму и содержат простые окончания (в коже волокна чаще свернуты в клубочек). Однако до сих пор не до конца ясна их роль и специфика перцепции. Дэвид Джинти (David Ginty) с коллегами из Гарвардской медицинской школы исследовали физиологию телец Краузе у мышей. С помощью окрашивания нейрофиламента-200 и белка S100 (первый отражает нервные волокна крупного калибра, а второй — терминальные шванновские клетки), они обнаружили в гениталиях самок мышей высокую плотность телец Краузе по всему клитору, но при этом они отсутствовали в ткани влагалища. В гениталиях самцов тельца наблюдались по всей головке полового члена и внутренней поверхности крайней плоти. Несмотря на разные размеры женских и мужских гениталий, общее количество телец Краузе в клиторе и пенисе было сопоставимым. Таким образом, плотность телец Краузе была в 15 раз больше в клиторе, чем в головке полового члена. Затем с помощью генетических исследований ученые выяснили, что в тельцах Краузе располагаются чувствительные отростки двух групп нейронов спинальных ганглиев пояснично-крестцового отдела: TrkB и Ret. Кроме того, дальнейший анализ показал, что отростки этих нейронов специфически образуют тельца Краузе (им не удалось найти в них чувствительные волокна от других нейронов). Информация от этих нейронов далее следует в заднюю часть серой спайки спинного мозга, которая находится около центрального канала, в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга. Благодаря оптогенетическим методам и механическому воздействию удалось выяснить, что волокна нейронов TrkB и Ret являются А-волокнами, то есть хорошо миелинизированными волокнами со скоростью передачи импульса 3-11 метров в секунду. Кроме того, у волокон нейронов TrkB были низкие пороги механического возбуждения, быстрая адаптация и точная синхронизация по фазе для каждого цикла механических колебаний. При этом волокна нейронов Ret демонстрировали более высокие пороги механического возбуждения. Обе группы нейронов активно реагировали на вибрации с частотой 40-80 герц. Затем ученые исследовали, как тельца Краузе могут влиять на сексуальное поведение мышей. Они обнаружили, что прямая оптогенетическая стимуляция полового члена (десять герц, импульс две миллисекунды в течение 20 секунд) у мышей, которым в тельца Краузе (нейроны TrkB) внедрили опсины, приводила к эрекции у 6 из 10 животных. У контрольных мышей без опсинов эрекции не наблюдалось. Рефлекторные реакции на оптогенетическую стимуляцию телец Краузе нейронов Ret не тестировались, поскольку их было сложно промаркировать опсинами. Хотя у самцов, у которых не было телец Краузе, не наблюдалось проблем с эрекцией, у них были проблемы с введением полового члена во влагалище: они дольше начинали этот процесс и хуже его осуществляли. Кроме того, меньшее количество самцов без телец Краузе достигли эякуляции по сравнению с контрольной группой. У самок потеря телец Краузе также сопровождалась проблемами с началом полового акта. Таким образом, команда Джинти впервые так подробно описала структуру и физиологию телец Краузе в гениталиях мыши. По мнению ученых их результаты можно распространить и на человека, поскольку, например, вибрации с частотой 40-80 герц считаются возбуждающими и для людей. Однако у человека дополнительно необходимо исследовать влияние телец Краузе на сексуальное поведение. Об эволюции полового члена и его восприятия можно прочитать в книге Эмили Уиллингем «Парадокс пениса: Уроки жизни из мира животных» (издательство «Альпина нон-фикшн»).