Кальмары перекодировали РНК за пределами клеточного ядра
Кальмары Doryteuthis pealeii способны менять последовательность нуклеотидов в РНК не только в ядрах клеток, но и в аксонах — длинных отростках нейронов, по которым передаются нервные импульсы. Более того, в аксонах этот процесс идет интенсивнее, чем в телах клеток. Вероятно, это позволяет моллюскам осуществлять очень тонкую настройку работы нервной системы. Статья опубликована в Nucleic Acids Research.
Гены кодируют белки, но информация о последовательности аминокислот в белках берется не напрямую с ДНК, а от РНК. Можно считать информацию с одного участка ДНК, создать на ее основе несколько копий РНК, а затем немного изменить каждую из них так, чтобы они больше не совпадали друг с другом. Затем, когда эти РНК попадут в рибосомы, те произведут неодинаковые молекулы белков. Это позволяет расширить множество белков, которые способна синтезировать клетка, и вместе с тем оставить неизменной наследственную информацию.
Менять последовательность нуклеотидов в РНК могут все организмы, у которых есть фермент из группы аденозиндеаминаз, действующих на рибонуклеиновые кислоты (ADAR). Они превращают аденозин в инозин — нуклеозид, более близкий к гуанозину. В результате рибосома считывает другую информацию с РНК и создает белок с измененной последовательностью аминокислот. ADAR обладают многие животные, в том числе люди, но далеко не все рибонуклеиновые кислоты несут участки, с которыми мог бы связаться этот фермент.
Исключение — головоногие моллюски. У некоторых их видов почти половину РНК можно перекодировать с помощью ADAR. РНК, которые получается изменить таким образом, часто синтезируются в нервных клетках. Аденозиндезаминаза позволяет сделать работу нейронов более эффективной в условиях низких температур, но наверняка есть и иной биологический смысл перекодирования РНК в нервных клетках.
Сотрудники Лаборатории морской биологии Чикагского университета совместно с коллегами из Колорадского университета в Денвере и Тель-Авивского университета во главе с Джошуа Розенталем (Joshua Rosenthal) давно исследуют перекодирование РНК в нейронах головоногих. Их более ранние исследования были сфокусированы на изменении рибонуклеиновых кислот в ядрах нервных клеток. В новой работе они решили посмотреть, может ли аденозиндезаминаза действовать на РНК за пределами ядер.
Чтобы проверить это, ученые использовали кальмаров Doryteuthis pealeii. В 1930-х годах Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли установили механизм передачи нервного импульса по аксонам (длинным отросткам нейронов) этих же моллюсков. Теперь биологи с помощью вестерн-блоттинга, иммуногистохимии и транскриптомики определили, в каких тканях кальмара присутствует ADAR и каков процент замен аденозина на инозин в различных частях тела и даже отдельных клеток животного.
Оказалось, что аденозиндезаминаза есть не только в телах нейронов, где расположены ядра этих клеток, но и в аксонах. РНК в них часто бывают перекодированы. Это касается не только гигантских аксонов, но и близлежащих отростков других нейронов более скромных размеров. Притом доля измененных рибонуклеиновых кислот в разных частях тела кальмара неодинакова. В аксонах этот процесс, как правило, идет даже интенсивнее, чем в ядрах нервных клеток.
Аргумент в пользу того, что РНК перекодируются на месте, а не обрабатываются в ядре и оттуда направляются в аксон, заключается в том, что у рибонуклеиновых кислот в аксонах и ядрах в ряде случаев изменены неодинаковые участки. Однако нет полной гарантии, что РНК попадает в отростки нейронов неизменной. Механизм регуляции работы ADAR в различных частях клеток и различных органах кальмара еще предстоит выяснить.
Также стоит узнать, не происходит ли перекодирования РНК у других животных. Авторы работы отмечают, что один из вариантов аденозиндеаминаз, действующих на рибонуклеиновые кислоты, есть и в цитоплазме клеток млекопитающих, но пока никто не проверял, работает ли он там.
В последние годы головоногих моллюсков все чаще используют в качестве лабораторных животных. Во многих аспектах когнитивной деятельности они не уступают мышам и даже крысам, хотя нервная система беспозвоночных развивалась по совершенно иному пути. О том, как используют головоногих в науке, мы рассказывали в материале «Как стать моделью».
Светлана Ястребова
Впрочем, лишь на 4-6 дней
Европейские микробиологи обнаружили у почвенной бактерии Bacillus subtilis способность к хранению информации о смене дня и ночи. Если содержать бактерий в условиях 24-часовых суток, то у них устанавливался суточный цикл экспрессии ytvA — белка, чувствительного к синему свету. После смены режима освещения перестройка экспрессии ytvA происходила не мгновенно: признаки предыдущего цикла «день-ночь» сохранялись еще 4-6 дней. Чем ярче был свет днем, тем короче становился период колебаний экспрессии ytvA после перехода с режима «день-ночь» на полную темноту — так же ведут себя и некоторые циркадные ритмы человека. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Наиболее хорошо изучены циркадные ритмы, регулирующие поведение, рост и развитие эукариот. Но похожие внутриклеточные сигнальные пути описаны и у фотосинтетических прокариот, для метаболизма которых освещенность критически важна. Более того — в последние годы следы похожих систем находят в геномах и протеомах архей и бактерий, неспособных к фотосинтезу. Пока неизвестно, как устроены и для чего нужны такие системы прокариотам, неспособным к фотосинтезу. Марта Мерров (Martha Merrow) с коллегами-микробиологами из университетов Дании, Нидерландов, Великобритании и Германии описали циркадный ритм, связанный с регуляцией ответа на стресс у сапрофитной почвенной бактерии Bacillus subtilis. У бактерии есть несколько разновидностей фоточувствительных пигментов, от которых сигнал через цепочку посредников сходится на белках семейства Rsb. Они влияют на экспрессию более 200 генов, опосредующих ответ на осмотический, температурный, окислительный стресс и на действие антибиотиков. Основной пигмент, отвечающий за детекцию синего света у B. subtilis — белок ytvA. Ученые получили два штамма «дикого типа» B. subtilis и модифицировали их таким образом, чтобы бактерии синтезировали люциферазу вместе с белком ytvA (таким образом, клетки флуоресцируют прямо пропорционально уровню экспрессии ytvA). На первом этапе микробиологи в течение пяти суток растили культуры бактерий в условиях двенадцатичасового дня (монохроматический синий свет с длиной волны 450 нанометров) и двенадцатичасовой ночи (полная темнота). После того, как бактерии «привыкали» к такому режиму, их на неделю оставляли в темноте. Как и ожидали ученые, в первой фазе эксперимента активность ytvA падала спустя полчаса после включения синего света и плавно нарастала в темное время суток. Но во второй фазе колебания не исчезли, а их период растянулся до 29,4-30,2 часов, в зависимости от штамма. У культур B. subtilis, выросших без света, тоже были обнаружены колебания экспрессии ytvA с периодом 26-31 дня. Затем ученые решили посмотреть, как меняется активность ytvA при изменении продолжительности цикла «день-ночь». Как и в первой части экспериментов, сначала бактерии росли в условиях двенадцатичасовых периодов света и темноты. Но через пять дней ученые сокращали цикл в два или три раза. Поначалу после смены режима у бактерий сохранялся 24-часовой паттерн экспрессии ytvA, а рост активности гена в ответ на дополнительные периоды тьмы был менее выраженным. Но уже спустя пять дней бактерии «переучивались» на новый режим света и тьмы. Во время эксперимента ученые обнаружили у бактерий эффект, описанный в хронобиологии как «правило Ашоффа»: чем больше интенсивность освещения днем, тем короче становятся циркадные циклы в темноте у дневных организмов. При росте освещенности с 0,1 до 60 микроэйнштейнов на квадратный метр в секунду период колебаний падал в среднем с 27,5 ± 1,9 до 24,1 ± 0,7 часа. Ранее правило Ашоффа было описано в экспериментах на птицах и арабидопсисе, но не у прокариот. Открытие микробиологов показывает: сложно устроенные и зарегулированные циркадные ритмы распространены шире, чем считалось ранее. Впрочем, пока неизвестны белки, управляющие экспрессией фоточувствительного ytvA, и неясно, какие эволюционные преимущества дает бактериям такая регуляция. Авторы предполагают, что фоторецепторы, активирующие ответ на стресс, могут быть нужны почвенным организмам для регуляции для снижения интенсивности метаболизма на большой глубине. Подробнее о циркадных ритмах у представителей разных царств живой природы читайте в нашем материале «Ход часов лишь однозвучный», а о роли синего света в их регуляции — в материале «Только синь сосет глаза».