Каждый сантиметр окружающей нас среды, от земли, по которой мы ступаем, до воды, которую мы пьем, и воздуха, которым мы дышим, потенциально содержит генетическую информацию других организмов, населяющих наш мир.
Но до недавнего времени у исследователей не было инструментов, необходимых для использования этой информации, которая поступает в виде экологической ДНК (эДНК) или экологической РНК (эРНК). Хотя в последние годы ученые начали изучать возможности использования эДНК, лишь немногие занимались ее более непостоянной и неуловимой сестрой - эРНК. И вот недавно группа исследователей из Канады использовала эРНК для выявления признаков теплового стресса у водяных блох, о чем они сообщают в препринте, опубликованном 18 ноября на сайте bioRxiv.
Это одно из первых исследований, использующих эРНК для получения информации о состоянии организма, рассказывает Кэрэн Хелбинг, биохимик из Университета Виктории в Британской Колумбии, Канада, которая не принимала участия в исследовании. "Было много спекуляций по поводу использования экологической РНК", - говорит она. "Очень приятно видеть, как эти предположения начинают воплощаться в реальность".
Все животные в течение своей жизни сбрасывают кожу, экскременты и другие отходы. Содержащаяся в этих органических отходах эДНК оседает в окружающей среде, где она сохраняется в среднем в течение нескольких недель. В середине 2010-х годов эДНК начала использоваться в качестве нового инструмента для мониторинга биоразнообразия и состава сообществ. Взяв пробу из реки, озера, океана или даже воздуха, ученые могут извлечь следовые ДНК и использовать их для выяснения того, какие виды обитают в данной местности, и все это без необходимости видеть или ловить животное. "Это буквально меняет наши представления о том, как мы оцениваем окружающую среду и влияние изменения климата и человека на окружающие нас экосистемы", - говорит Хелбинг.
Наряду с эДНК организмы также выбрасывают эРНК. Однако если эДНК в последние годы стала ценным инструментом для экосистемных экологов, то эРНК не получила такого же внимания. По словам Роберта Масаки Хехлера, водного эколога из Университета Торонто и соавтора препринта, это связано с тем, что РНК в целом менее стабильна, чем ДНК, и разрушается так быстро, что многие ученые полагали, что будет трудно или невозможно собрать и проанализировать ее достаточно оперативно, чтобы получить какие-либо результаты. Однако экологи и исследователи эРНК давно предполагали, что анализ эРНК, если это возможно, может дать представление о здоровье экосистемы, чего не может сделать эРНК. Как ни странно, быстрая деградация эРНК может позволить ей дать более точный снимок того, какие организмы в настоящее время находятся в системе, считают ученые. Более того, РНК, которую теряет организм, может меняться на протяжении всей его жизни, в то время как ДНК остается неизменной в течение долгого времени.
"РНК, которую производит организм, меняется в ответ на окружающую среду или другие стрессовые факторы", - объясняет Хехлер, поэтому "с помощью РНК мы можем получить некоторое представление о том, как [организмы] на самом деле себя чувствуют".
Хехлер объединился с Меланией Кристеску, экологом из Университета Макгилла, которая выдвинула идею использования эРНК в статье в 2019 году, чтобы определить, возможно ли не только захватить и проанализировать фрагменты нуклеиновой кислоты, но и использовать их для определения того, страдает ли популяция от теплового стресса.
Установив в лаборатории восемь аквариумов с водой, Хехлер и Кристеску вырастили популяции дафний (Daphnia pulex), водяных блох, которые обычно используются в экологических экспериментах. Затем они установили температуру в половине аквариумов на уровне 20°C, что является нормальным для дафний, а в другой половине - на уровне 28°C, что практически смертельно для этих рачков. Затем авторы взяли образцы тканей, содержащие организменную РНК (оРНК), и образцы воды, содержащие эРНК, из каждого аквариума и немедленно поместила их в морозильную камеру с температурой -80°C, чтобы предотвратить деградацию РНК. Образцы оРНК, объясняет Хехлер, являются золотым стандартом для измерения состояния здоровья организма и его реакции на стресс. Сравнивая их с образцами эРНК, они с Кристеску надеялись, что смогут определить, несет ли последняя полезную информацию.
"Это был первый правильный эксперимент, чтобы проверить, действительно ли эРНК может делать то, на что мы надеялись", - утверждает Хелбинг.
Исследователи слегка разморозили образцы, чтобы можно было выделить РНК, и использовали технологию секвенирования РНК для изучения профиля экспрессии генов каждого образца. Дафнии снижают уровень регуляции определенных генов, чтобы справиться с высоким уровнем теплового стресса, и исследователи ожидали, что смогут обнаружить эти изменения с помощью анализа РНК дафний в нагретых аквариумах по сравнению с контрольными образцами без стресса.
В целом, исследователи смогли выявить гораздо больше транскриптов генов в образцах оРНК, чем в образцах эРНК, что вполне логично, учитывая, что оРНК поступает непосредственно из организма, а эРНК - из следов организма. Тем не менее, ученые все равно смогли определить 32 гена из эРНК, которые дифференциально экспрессировались в ответ на тепловой стресс, 17 из которых совпали с дифференциально экспрессированными генами, обнаруженными при отборе проб оРНК. Хехлер считает, что это подтвердило то, на что он, Кристеску и другие ученые надеялись: эРНК можно использовать для определения того, как организм реагирует на окружающую среду.
Джоанн Литтлфэйр, молекулярный эколог из Лондонского университета, не принимавшая участия в работе, говорит, что она рада тому, что исследования эРНК набирают обороты. "В настоящее время биоразнообразию уделяется такое большое внимание во всем мире", - говорит она. "Большое внимание уделяется биологическому мониторингу и способам быстрого, эффективного и неинвазивного сбора данных. Поэтому я думаю, что эта [инновация] появилась в подходящее время".
Следующим шагом, поясняет Хехлер, будет перенос этих исследований в полевые условия, поскольку эРНК менее предсказуема и ее труднее собирать. Он надеется, что в один прекрасный день исследования эРНК можно будет использовать для выявления "ранних признаков" экологического стресса в экосистемах, что позволит вовремя обнаружить и устранить проблемы, чтобы сохранить экосистему или спасти организмы от вымирания. "Я надеюсь, что люди начнут проводить подобные исследования", - говорит он. "Это было бы действительно интересно увидеть".
