Высокая температура повредила ДНК сперматоцитов
Американские ученые при нагревании нематод Caenorhabditis elegans обнаружили в их сперматоцитах значительное повышение частоты повреждений ДНК — это связали с активной мобилизацией транспозонов Tc1/mariner. При этом в женских гаметах аналогичных процессов не наблюдали, о чем авторы пишут в журнале Current biology.
У многих организмов сперматогенез, в отличие от образования женских гамет, чрезвычайно зависим от колебаний температуры среды, и для созревания сперматоцитов необходимо, чтобы процесс протекал в узком диапазоне температур. Несмотря на то что это справедливо и для человека, а зависимые от температуры нарушения сперматогенеза связывают с нарушениями мужской репродуктивной функции, молекулярные механизмы, лежащие в основе этого, до сих пор слабо изучены.
Диана Либуда (Diana E. Libuda) вместе с коллегами из Университета Орегона пролила свет на эту проблему, изучив изменения в наследственном аппарате гамет C. elegans, подвергнутых тепловому шоку. Сперматогенез изучали на мужских особях, оогенез — на гермафродитах. Животных экспериментальной группы нагревали до 34 градусов Цельсия в течение двух часов, для контрольной группы температуру среды не повышали, а для измерения степени поврежденности ДНК исследователи сравнивали количество фокусов рекомбиназы RAD-51 в гаметах — участки ядра, где рекомбиназа образует комплексы с ДНК на месте двухцепочечного разрыва для его репарации. Оказалось, что в сперматоцитах, подвергнутых тепловому шоку, значительно повысилось количество фокусов RAD-51 в профазе I мейоза (41 ± 17 фокусов/ядро против 1.6 ± 2.7 фокусов на ядро в не нагретых сперматоцитах; p < 0,0001). При этом ничего подобного не наблюдали в ооцитах.
Чтобы убедиться в том, что нарушения ДНК сказываются на фертильности самцов, ученые получили потомство от особей, подвергнутых и не подвергнутых тепловому шоку. Примечательно, что способность к оплодотворению у сперматоцитов нарушена не была — исследователи получили сравнимое количество яиц от особей контрольной и экспериментальной групп. Однако если количественной разницы заметно не было, качественная оказалась весьма значительной: количество нежизнеспособных яиц от самцов, подвергнутых тепловому шоку (в среднем 6 ± 4 мертвых яйца/выводок; количество выводков 38), в среднем в три раза больше (p < 0,001), чем от самцов контрольной группы (в среднем 2 ± 2 мертвых яйца/выводок; количество выводков 23).
Авторы предположили, что причиной нарушения целостности генетического аппарата мужских гамет может быть мобилизация транспозонов, которая приводит к возникновению двухцепочечных разрывов в ДНК. Проверили они с помощью количественного ПЦР-анализа, проанализировав уровень экспрессии транспозазы Tc1. Выяснилось, что экспрессия Tc1-транспозазы в нагретых C. elegans выше, чем в контрольной группе в 2,4 раза, тогда как в ооцитах значительной разницы не выявили. Однако авторы обращают внимание, что 2,4-кратное увеличение экспрессии гена транспозазы Tc1 вряд ли объясняет 25-кратное учащение повреждений ДНК в сперматоцитах, поэтому уточняют, что мобилизация транспозонов Tc1/mariner — вероятно, лишь одна из причин нарушения генетического аппарата мужских гамет C. elegans при воздействии высоких температур.
Исследование открывает потенциальные возможности глубокого понимания процессов, связанных с нарушениями сперматогенеза у различных организмов при изменении температуры среды. К тому же, оно позволяет рассуждать о наличии определенных механизмов, подавляющих эти патологические процессы в женских гаметах — также многообещающий предмет для изучения.
Вопросы фертильности, в том числе мужской, довольно активно изучаются. Например, уже известны эпигенетические факторы, возникающие вследствие стресса и влияющие на качество спермы. Но если с хроническим стрессом справиться не так просто, то отдать предпочтение определенному виду нижнего белья уже проще и, видимо, имеет смысл, ведь мужчинам в боксерах свойственна более здоровая сперма.
Наталия Миранда
Бактерии научились инактививровать антибактериальную ДНК-гиразу
Немецкие ученые выяснили, что супербактерии, сохранявшие чувствительность к экспериментальному антибиотику альбицидину, защитились от него с помощью амплификации гена STM3175. Этот ген отвечает за регуляцию транскрипции малых молекул с доменом связывания, подобным ингибитору ДНК-гиразы — основы антибиотика альбицидина. Такое увеличение копии гена приводит к тысячекратному повышению уровня резистентности к препарату. Исследование опубликовано в PLoS Biology. В 2019 году почти пять миллионов человек погибло из-за бактерий, устойчивых к большинству известных антибиотиков, — супербактерий. По оценкам ученых к 2050 году это число увеличится в два раза. Основной причиной развития резистентности к противомикробным препаратам признано нерациональное их использование в медицине, ветеринарии и зоотехнии в сочетании с недостаточным пониманием механизмов бактериальной резистентности. Однако влияют и другие факторы: например, загрязнение атмосферы. Ученые постоянно ищут новые молекулы, которые были бы активны против супербактерий. Таким многообещающим соединением стал альбицидин — фитотоксичная молекула, вырабатываемая бактерией Xanthomonas albilineans, в исследованиях была эффективна против целого ряда супербактерий. Альбицидин ингибирует активность бактериальной ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и эффективно действует на ковалентный комплекс ДНК и гиразы в крайне низких концентрациях. В нескольких исследованиях уже сообщалось о развитии резистентности к этой молекуле у некоторых бактерий, однако ее механизмы оставались не до конца выясненными. Команда ученых под руководством Маркуса Фульда (Marcus Fulde) из Свободного университета Берлина изучала механизмы резистентности к альбицидину, которая развилась у Salmonella typhimurium и Escherichia coli. Для этого они подвергали бактерии воздействию высоких концентраций более стабильного аналога антибиотика и наблюдали за ростом колоний в течение 24 часов. Из 90 протестированных клонов 14 показали рост в этих условиях. Секвенирование генома этих штаммов показало, что большинство (девять штаммов) несет мутации в гене tsx, ответственном за экспрессию нуклеозидспецифичного порина, что в 16 раз увеличивало минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) антибиотика. Один из оставшихся пяти резистентных штаммов с интактным геном tsx демонстрировал более чем стократное повышение MIC, и анализ данных секвенирования его ДНК выявил амплификацию гена, приводящую к образованию 3-4 копий геномной области без однонуклеотидных полиморфизмов. При дополнительном анализе этого штамма ученые выяснили, что перекрывающаяся амплифицированная область содержит ген STM3175, который транскрибируется полицистронно в структуре оперона и N-концевой части qseB. Более тщательное изучение аминокислотной последовательности показало, что STM3175 состоит из 2 доменов: N-концевого AraC-подобного ДНК-связывающего домена и C-концевого GyrI-подобного лиганд-связывающего домена. Ученые обнаружили, что такая структура позволяет STM3175 связывать альбицидин с высокой аффинностью и инактивировать его. У разных бактерий обнаружились гомологи этого гена с теми же функциями, при этом на эффект других антибактериальных препаратов они не влияли. Знание нового механизма развития устойчивости к альбицидину позволит ученым разрабатывать новые способы модификации молекулы, чтобы обойти этот механизм. Ранее ученые обнаружили антибактериальную молекулу с широким спектром действия, которая не вызвала резистентности у микроорганизмов.