Активные формы кислорода помогли тихоходкам впасть в криптобиоз

Американские исследователи выяснили, что для того, чтобы впасть в криптобиоз, тихоходкам нужны активные формы кислорода. Они избыточно вырабатываются в условиях стресса, обратимо окисляют аминокислоту цистеин и индуцируют высыхание животного. Если воздействовать на тихоходку антиоксидантами или предотвратить окисление цистеина, в криптобиоз она не впадет. Исследование опубликовано в журнале PLoS ONE.

Тихоходки способны переживать высыхание, замораживание, кислородное голодание, радиацию и другие неблагоприятные и экстремальные условия, впадая в криптобиоз. Они втягивают конечности и сжимаются, становясь похожими на бочонок, их метаболизм практически останавливается, а организм теряет почти всю влагу. Когда условия снова становятся благоприятными, тихоходки возвращаются в обычную форму. Однако до сих пор не было ясно, какие механизмы опосредуют вход в состояние криптобиоза и выход из него.

Чтобы разобраться в этом, Аманда Смайтерс (Amanda L. Smythers) и ее коллеги из Университета Маршалла и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл провели эксперименты с тихоходками Hypsibius exemplaris. Сначала исследователи подвергали их воздействию перекиси водорода (H₂O₂) в разных концентрациях. Когда в литре раствора содержалось 5 миллимоль перекиси, 10 процентов тихоходок впадали в криптобиоз уже через 90 минут. Однако при такой высокой концентрации почти половина животных погибала, не успевая высохнуть. А вот раствором с концентрацией 0,75 миллимоль перекиси на литр на тихоходок нужно было воздействовать дольше — от 4 до 12 часов, зато 70 процентов выживали и потом возвращались в нормальную форму. Ранее предполагалось, что тихоходки могут впадать в криоптобиоз под воздействием высоких концентраций химических веществ (иначе — хемобиоз), но это — первые эмпирические доказательства.

Далее ученые воздействовали на тихоходок сахарозой и CaCl₂ — и они также впадали в криптобиоз с разной скоростью в зависимости от концентрации. При этом высокие концентрации CaCl₂ иногда приводили к гибели тихоходок — они не успевали сжаться и высохнуть. Высокие дозы сахарозы летальными не были.

Ученые предположили, что криптобиоз тихоходок индуцируют активные формы кислорода (АФК) — перекись водорода, ионы кислорода и различные свободные радикалы. При этом необязательно воздействовать на животных перекисью — в условиях стресса АФК избыточно вырабатываются в клетках. АФК могут обратимо связываться с аминокислотой цистеином и окислять ее — это влияет на структуру и функцию белков. Исследователи решили проверить, необходимо ли окисление цистеина для криптобиоза. Они использовали йодацетамид или N-Этилмалеимид — оба эти вещества необратимо связываются с аминокислотой, и активные формы кислорода уже не могут с ней связаться. Когда тихоходок инкубировали в йодацетамиде или N-Этилмалеимиде и затем подвергали воздействию перекиси, они больше не впадали в криптобиоз и не втягивали конечности, но по-прежнему немного уменьшались.

Тихоходки переставали впадать в криптобиоз в условиях стресса и после того, как на них воздействовали антиоксидантами. Так, восстановленный глутатион ингибировал высыхание тихоходок после воздействия CaCl₂ в 68 процентах случаев. Это еще раз подтвердило, что АФК, которые производятся внутри клеток, помогают тихоходкам выживать в неблагоприятных условиях. Исследователи предположили, что внешние изменения и стрессоры приводят к активации или ингибированию ионных каналов: потоки ионов в клетку и из нее модулируют работу митохондрий, где и образуются АФК. Когда ученые заблокировали VDAC2 — один из таких каналов, отвечающий за большую часть потока кальция в митохондрии и из них, тихоходки стали впадать в криптобиоз. Вероятно, в ответ на внешние стрессоры эти каналы также могут закрываться, уменьшая поток кальция.

Также ученые измерили количество восстановленных остатков цистеина в протеоме тихоходок — чем больше цистеина окислилось, тем меньше должно было остаться восстановленных форм. Как и ожидалось, у всех тихоходок, находящихся в криптобиозе, уровни восстановленного цистеина были ниже — особенно у замерзших особей. Воздействие на тихоходок восстановителем возвращало их в обычную форму, но они погибали. Это значит, что выход из криптобиоза происходит за счет восстановления цистеина, но этот процесс должен строго регулироваться.

От радиационного повреждения ДНК тихоходок защищает белок Dsup. Ученые даже проверяли этот белок на клетках эмбриональных почек — и там он защищал ДНК от повреждений. Однако около года назад исследователи выяснили, что для нейронов млекопитающих этот белок, напротив, опасен.