Кишечные бактерии защитили мышей от радиации
Биологи обнаружили в кишечниках мышей бактерии, которые помогли им пережить облучение всего тела до 9,2 грей. Ученые пересадили микробиоту выживших после излучения мышей другим особям и показали, что микроорганизмы действительно способствуют защите от радиации. У выживших мышей повысилось содержание бактерий семейства Lachnospiraceae, которые смягчили повреждения кишечника и стимулировали кроветворение у мышей. Защитные свойства осуществляли короткоцепочечные жирные кислоты и продукты триптофана, которые производили микроорганизмы. Эти бактерии также связали с последствиями радиотерапии пациентов с лейкемией. Исследование опубликовано в журнале Science.
Лучевая терапия довольно эффективна для лечения опухолевых заболеваний, однако она оказывает масштабное негативное воздействие на здоровые ткани. Из-за этого причиной смерти раковых больных могут становиться не только опухоли, но и проблемы с кроветворением и восстановлением кишечного эпителия после облучения. Особенно страдает от лучевой терапии желудочно-кишечный тракт, потому что его эпителий обновляется чаще любых других тканей организма.
Влияние радиотерапии на кишечник связывают с составом его микробиоты, причем количество бактерий кишечника огромно и сравнимо с количеством клеток тела — около 30 триллионов. Микроорганизмы помогают человеку расщеплять сложные углеводы, которые ферменты желудочно-кишечного тракта переварить не в силах. В процессе расщепления бактерии выделяют короткоцепочечные жирные кислоты — главный источник энергии для клеток кишечника.
Исследователи из университета Северной Каролины в Чапел-Хилл под руководством Хао Гуо (Hao Guo) подвергли мышей облучению всего тела от 8 до 9,2 грей, чтобы выяснить, как радиация повлияла на микробиоту кишечника. К удивлению биологов, некоторые мыши не только восстанавливались, но и долго жили после облучения. После исследования РНК в фекалиях выживших оказалось, что их кишечный микробиом отличается от обычного (p < 0,05).
Чтобы подтвердить влияние микробиоты на последствия облучения, исследователи провели эксперимент «грязной клетки». Они посадили мышей-реципиентов в клетки, где до этого жили выжившие после облучения мыши. Таким образом через их фекалии новым мышам передались кишечные микроорганизмы. После этого мышей-реципиентов подвергли излучению. Из них выжили 75 процентов, тогда как в контрольной группе — всего 20. Также влияние микробиома подтвердила и прямая пересадка фекалий.
Исследователи проверили, различаются ли составы микробиомов выживших мышей изначально, или различия появляются только после облучения. Анализ показал, что смещение содержания бактерий происходит только после облучения, что свидетельствует об отборе. Тогда биологи решили определить защитные функции некоторых видов бактерий из обнаруженных у людей семейств, поочередно подсаживая их мышам.
Самое значительное повышение выживаемости после облучения показали бактерии семейства Lachnospiraceae, также выживаемость повысили E. faecalis и L. rhamnosus. Реципиенты Lachnospiraceae имели лучшие показатели клеточности костного мозга, строение складок кишечника и его проницаемости. Исследователи также проверили, могут ли Lachnospiraceae защищать от радиации не только кишечник, но и опухолевые клетки. Бактерии не повлияли на рост и формирование опухоли из введенных раковых клеток, что делает их хорошими кандидатами для применения при лучевой терапии.
Чтобы выявить бактерии, связанные с защитой от радиации у человека, ученые исследовали кишечные микробиомы пациентов с лейкемией до и после лучевой терапии. В качестве параметра оценки тяжести последствий терапии использовали продолжительность диареи (в днях), которая коррелировала с нарушениями в желудочно-кишечном тракте. В кишечниках пациентов с менее продолжительной диареей содержалось больше бактерий семейств Lachnospiraceae и Enterococcaceae (p < 0,05), однако эти данные указывают только на косвенную связь с нарушениями тканей кишечника, также не означают причино-следственной связи.
Также ученые проанализировали вещества, которые выделяют эти бактерии, и их влияние на защиту от радиации. Известно, что Lachnospiraceae перерабатывают углеводы в короткоцепочечные жирные кислоты — бутират, ацетат и пропионат. Эти вещества являются важными субстратами для поддержания кишечного эпителия и функционирования иммунной системы.
Терапия водой с пропионатом значительно повысила (с 28 до 79 процентов) выживаемость мышей после радиации, а ацетат и бутират показали менее весомые результаты. Пропионат также повысил содержание клеток крови и увеличил слой слизи кишечника. Тогда биологи попробовали подсаживать мышам штаммы бактерий с большой продукцией короткоцепочечных жирных кислот: такое лечение даже достигло стопроцентной защиты от последствий радиотерапии.
Независимый анализ метаболитов у выживших мышей также показал повышение содержания других веществ — продуктов триптофана. Некоторые из них (индол-3-карбоксиальдегид и кинуреновая кислота) в ходе исследования также показали защитные свойства и повысили выживаемость.
Так биологи обнаружили важное свойство микробиоты кишечника — защиту от радиации. Однако эти микроорганизмы способны оказывать и негативное воздействие на кишечный эпителий. Недавнее исследование показало, что употребление сахаров способно провоцировать воспаление толстой кишки из-за повышения содержания муколитических бактерий, которые разрушают слизистый слой.
Анна Муравьева
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.