Бактериальные циркадные ритмы: от озер до кишечника
Циркадные ритмы, или изменения в поведении и физиологии организма, которые следуют 24-часовой циклической схеме, встречаются на всем древе жизни - они есть у растений, грибов, насекомых и млекопитающих.
Но как насчет бактерий? Есть ли у этих вездесущих микробов циркадные ритмы?
Циркадные ритмы регулируются внутриклеточными часами, состоящими из взаимодействующих генов и белков, которые способствуют суточным колебаниям в экспрессии генов. В течение многих лет считалось, что бактерии не имеют часов. Это предположение было основано на правиле циркадного инфрадиана, которое предполагает, что селекция на циркадные часы у бактерий маловероятна, учитывая, что их репродуктивный цикл часто короче 24 часов. Другими словами, что толку от часов, которые тикают дольше, чем длится ваша жизнь?
Однако в 1980-х годах были сделаны открытия в области цианобактерий, группы фотосинтезирующих микробов, обитающих в почве и воде, которые перевернули это давнее предположение с ног на голову. Новые исследования показывают, что нефотосинтезирующие бактерии также обладают циркадными ритмами. Даже микробиота кишечника, плотное и разнообразное микробное сообщество, демонстрирует суточные колебания в своем составе и функционировании. Изучение циркадных ритмов бактерий может помочь исследователям понять микробы, играющие ключевую роль в здоровье человека.
Циркадные ритмы у цианобактерий
Цианобактерии повсеместно распространены в пресной, солоноватой и морской воде. Они не только являются самыми древними фотосинтезирующими организмами на Земле, но и первыми прокариотами, у которых были обнаружены циркадные часы, и единственными бактериями, у которых такие механизмы были достоверно охарактеризованы.
В ранних исследованиях для выявления ритмичности в экспрессии генов цианобактерий использовались репортерные люциферазные анализы. В этих экспериментах Synechococcus elongatus, вид, широко признанный в качестве основной модели для исследования цианобактерий, трансформировали плазмидой, экспрессирующей гены люциферазы, управляемые промотором гена фотосинтеза S. elongatus. Отслеживая биолюминесценцию клеток S. elongatus в периоды постоянного освещения или во время циклов свет-темнота, ученые обнаружили, что ритм биолюминесценции (а значит, и активность промотора гена фотосинтеза) соответствует всем критериям циркадных ритмов:
- Свободно протекающий и подчиняющийся 24-часовому периоду. "Свободно протекающий" означает, что ритм возникает примерно каждые 24 часа даже при постоянных условиях окружающей среды. Циркадный ритм S. elongatus продолжается независимо от того, инкубируются ли клетки при постоянном освещении или циклах свет-темнота.
- Способность подстраиваться под сигналы окружающей среды. Хотя циркадные часы являются эндогенными, они неразрывно связаны с внешним миром. Они могут перезагружаться, или перестраиваться, в соответствии с различными факторами окружающей среды, называемыми Zeitgebers (в переводе с немецкого - таймеры), включая свет и пищу. Например, люди испытывают джетлаг, когда их часы находятся в процессе перестройки цикла сна на новый часовой пояс. В случае цианобактерий экспрессия фотосинтетических генов сбрасывается в ответ на изменение соотношения света и темноты.
- Температурная компенсация. Отличительной чертой циркадных ритмов является то, что они сохраняются в диапазоне физиологических температур. Это гарантирует, что время физиологических и поведенческих процессов не сбивается, если в окружающей среде в одну минуту немного холодно, а в другую - немного жарко. Ученые обнаружили, что ритм цианобактерий сохраняется независимо от того, при какой температуре инкубируются бактерии - 25, 30 или 36℃.
Учитывая, что фотосинтез связан со светом, наблюдение за тем, что этот процесс у цианобактерий характеризуется циркадной ритмичностью, имеет смысл. Однако впоследствии было доказано, что большая часть генома цианобактерий, возможно, до 30%, находится под циркадным контролем.
Учитывая столь высокую геномную ритмичность, возникает вопрос: полезен ли циркадный ритм для этих бактерий? Сравнивая мутанты S. elongatus с различными циркадными периодами в различных свето-темновых циклах (Zeitgebers), исследователи обнаружили, что штаммы, эндогенный ритм которых наиболее точно соответствовал циклу Zeitgeber, выживали лучше своих конкурентов, что позволяет предположить, что способность биологически отслеживать время дает цианобактериям преимущество в приспособленности.
За 30 лет, прошедших после этих первых открытий, ученые также охарактеризовали молекулярные часы, регулирующие циркадные ритмы цианобактерий. Часы состоят из 3 белков: KaiA, KaiB и KaiC. В светлое время суток KaiC автофосфорилируется по 2 остаткам, чему способствует взаимодействие с KaiA. С наступлением темноты KaiC последовательно дефосфорилируется, чему способствует KaiB-опосредованное вытеснение KaiA. В фосфорилированном и дефосфорилированном состоянии KaiC косвенно модулирует экспрессию генов через взаимодействие с другими белковыми регуляторами. 24-часовой цикл фосфорилирования и дефосфорилирования KaiC - это то, как тикают циркадные часы цианобактерий. На самом деле, часы продолжают тикать (т.е. проходить циклы фосфорилирования) in vitro, когда белки Kai смешиваются с аденозинтрифосфатом (АТФ) в пробирке.
Фосфорилирование и дефосфорилирование KaiC с помощью KaiA и KaiB - вот как "тикают" цианобактериальные часы. Рис.: Madeline Barron
Циркадные ритмы у нефотосинтезирующих бактерий
Поддержка циркадных ритмов у цианобактерий обширна, но как насчет нефотосинтезирующих бактерий? Здесь доказательства не столь однозначны. Некоторые бактерии демонстрируют ритмичный 24-часовой рост, но циклы не отвечают всем критериям циркадного ритма, таким как температурная компенсация. Гомологи генов kai присутствуют у различных видов бактерий, но функционируют ли они как хронометры, не совсем понятно.
Тем не менее, есть интригующие сообщения. В одном из исследований было обнаружено, что клинический изолят кишечной бактерии Klebsiella aerogenes (авторы называют его Enterobacter aerogenes) демонстрирует 24-часовые, свободно протекающие и температурно компенсированные ритмы экспрессии гена подвижности motA. Ритмы нескольких биологических репликаций синхронизировались, когда клетки инкубировали in vitro с мелатонином, гормоном, находящимся под циркадным контролем хозяина. Эти результаты позволяют предположить, что циркадные часы K. aerogenes могут подстраиваться под сигналы хозяина in vivo. Действительно, в отсутствие мелатонина наблюдалась большая изменчивость в циркадных фазах различных культур. Примечательно, что только 31-44% культур демонстрировали циркадные паттерны в экспрессии motA - почему эти культуры демонстрировали ритмичность, а другие нет, неясно. В конечном итоге, для лучшего понимания нюансов ритма K. aerogenes необходимы дополнительные исследования.
Другое недавнее исследование показало, что Bacillus subtilis, бактерия, обитающая в почве и кишечнике млекопитающих, демонстрирует циркадную ритмичность в экспрессии генов, участвующих в распознавании света и формировании биопленки. Используя биолюминесцентный люциферазный анализ, аналогичный тому, который применяется для цианобактерий, авторы показали, что промоторы этих генов контролируют экспрессию в 24-часовых циклах, которые соответствуют свето-темновому циклу и компенсируют температуру. Эти ритмы наблюдались только тогда, когда B. subilitis формировала биопленки, что позволяет предположить, что циркадные ритмы могут давать адаптивное преимущество в бактериальных сообществах, где клетки координируют свое поведение для процветания в данной среде.
Циркадные ритмы и микробиота кишечника
Выявление циркадной ритмичности у бактерий, связанных с кишечником, интригует в свете исследований, показывающих, что микробиота кишечника демонстрирует суточные колебания в своем составе. То есть, численность определенных таксонов достигает пика в одну часть дня (утро), а затем снижается в другую (ночь). Эти изменения происходят под влиянием Zeitgebers, связанных с циркадными процессами хозяина, как показано на примере синхронизации ритмичности K. aerogenes, опосредованной мелатонином. Это подчеркивает тесную связь между хозяином и микробиотой, в которой процессы в одном (например, циркадные ритмы) регулируются и регулируются другим.
Исследования на мышах показали, что потеря генов циркадных часов хозяина, диета с высоким содержанием жира, изменение времени кормления и смена часовых поясов нарушают ритмичность микробиоты. Нарушения ритмов хозяина и микробиоты имеют важные последствия для здоровья. У мышей и людей смена часовых поясов нарушает ритм микробиоты и изменяет состав сообщества, способствуя развитию ожирения и непереносимости глюкозы, что является предвестником диабета второго типа. Другое исследование показало, что ритмичность 13 таксонов микроорганизмов нарушена у людей с диабетом 2 типа, что потенциально может служить биомаркером заболевания.
Негативные последствия для здоровья, связанные с нарушением ритмичности микробиоты, могут быть связаны с изменением выработки метаболитов кишечными бактериями. Например, у мышей на обычной диете наблюдаются суточные колебания уровня бутирата - соединения, вырабатываемого микробиотой и являющегося ключевым модулятором гомеостаза кишечника хозяина. Однако у мышей, получающих диету с высоким содержанием жиров, эта ритмичность нарушается, и они становятся склонными к ожирению. Таким образом, ритмические изменения в метаболической функции микробиоты могут быть одним из многих способов, с помощью которых кишечные бактерии влияют на здоровье и восприимчивость к заболеваниям.
Регулируется ли ритмичность микробиоты кишечника эндогенными бактериальными часами, или это просто отражение реакции сообщества на циркадные процессы хозяина, пока неясно. Другими словами, суточные колебания в структуре и функции микробиоты не являются доказательством добросовестных бактериальных циркадных ритмов. Тем не менее, учитывая результаты исследований K. aerogenes и B. subtilis, не так уж маловероятно, что бактерии кишечника имеют циркадные часы. В связи с этим возникает ряд вопросов: Какие виды имеют циркадные ритмы, а какие нет? Что, если это вообще возможно, может рассказать нам о физиологии и адаптации различных бактерий в кишечнике? Есть ли виды, которые управляют ритмом микробного сообщества кишечника в целом, координируя свои действия с другими бактериями, на что намекает ритмичность B. subtilis, зависящая от биопленки?
Ответы на эти вопросы улучшат наше понимание циркадных ритмов в мире бактерий. Более того, они могли бы научить нас использовать циркадные часы бактерий и согласовывать их тиканье с нашим собственным для укрепления и поддержания нашего здоровья и благополучия.
