Необратимость в бактериальных регуляторных сетях
Бактерии способны «запоминать» кратковременные изменения в своей клетке и ближайшем окружении и хотя эти изменения не закодированы в генах, они могут передать память о них своему потомству на протяжении нескольких поколений.
Новое исследование ученых Северо-Западного университета США «Необратимость в бактериальных регуляторных сетях» было опубликовано 28 августа в журнале Science Advances. Это открытие не только бросает вызов давним представлениям о том, как простейшие организмы передают и наследуют фенотипические черты, но и может быть использовано в медицинских целях. Например, исследователи могут преодолеть устойчивость к антибиотикам, тонко влияя на патогены, делая их потомство более чувствительным к воздействию препаратов на протяжении нескольких поколений.
«Основное положение в биологии бактерий заключается в том, что наследуемые фенотипические характеристики определяются в основном ДНК», - поясняет старший автор исследования Адилсон Моттер. «Но с точки зрения концепции сложных систем мы знаем, что информация может храниться и на уровне сети регуляторных связей между генами. Мы хотели выяснить, передаются ли от родителей к потомству характеристики, которые закодированы не в ДНК, а в самой регуляторной сети. И мы обнаружили, что временные изменения в регуляции генов накладывают отпечаток на долгосрочные изменения в сети, которые передаются потомству. Другими словами, отголоски изменений, затронувших родителей, сохраняются в регуляторной сети, в то время как ДНК остается неизменной».
С тех пор как в 1950-х годах исследователи впервые выявили молекулярные основы генетического кода, они предполагали, что фенотипические черты передаются в первую очередь - если не исключительно - через ДНК. Однако после завершения проекта «Геном человека» в 2001 году исследователи пересмотрели это предположение. «Возможно, мы сможем выявить причины для простейших одноклеточных организмов, поскольку мы можем контролировать их среду и исследовать их генетику. Если мы что-то заметим в этом случае, то сможем отнести происхождение негенетического наследования к ограниченному числу возможностей - в частности, к изменениям в регуляции генов», - говорит Моттер.
Регуляторная сеть - это аналог коммуникационной сети, с помощью которой гены влияют друг на друга. Исследовательская группа предположила, что эта сеть может быть ключом к передаче признаков потомству. Для изучения этой гипотезы Моттер и его группа обратились к E. coli, распространенной бактерии и хорошо изученному модельному организму. «В ней гораздо меньше генов, чем в человеческой клетке: около 4000 генов против 20 000. В ней также отсутствуют внутриклеточные структуры, которые, как известно, лежат в основе устойчивой организации ДНК у прокариот и многообразия типов клеток у высших организмов. Поскольку кишечная палочка является хорошо изученным модельным организмом, мы хорошо знаем организацию регуляции ее генов", - поясняет Моттер.
Исследовательская группа использовала математическую модель регуляторной сети для имитации временной деактивации (и последующей реактивации) отдельных генов в E. coli. Они обнаружили, что эти временные изменения могут привести к долгосрочным изменениям, которые, по прогнозам, будут передаваться по наследству в течение нескольких поколений. В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы подтвердить свои предположения в лабораторных экспериментах с использованием разновидности CRISPR, которая деактивирует гены временно, а не навсегда.
Но если изменения закодированы не в ДНК, а в регуляторной сети, исследователи задаются вопросом, как клетка может передавать их из поколения в поколение. Они предполагают, что обратимое вмешательство запускает необратимую цепную реакцию в регуляторной сети. Когда один ген деактивируется, это влияет на следующий за ним ген в сети. К тому времени, когда первый ген снова активируется, каскад уже в полном разгаре, поскольку гены могут образовывать самоподдерживающиеся цепи, которые после активации становятся невосприимчивыми к внешним воздействиям.
«Это сетевой феномен», - считает Моттер. «Гены взаимодействуют друг с другом. Если вы нарушаете работу одного гена, это отражается на других». Хотя его сотрудники деактивируют только гены для проверки гипотезы, Моттер уверен, что другие типы воздействий могут вызвать аналогичный эффект. «Мы также могли изменить среду обитания клетки», - говорит он. «Это может быть температура, доступность питательных веществ или рН». Исследование также предполагает, что у других организмов есть необходимые элементы для проявления негенетической наследственности. «В биологии опасно считать, что что-либо является универсальным», - утверждает Моттер. «Но интуитивно я ожидаю, что этот эффект широко распространен, поскольку регуляторная сеть E. coli похожа или проще, чем у других организмов».
