Science Advances: Бактерии не только помнят, но и передают воспоминания потомкам

Бактерии способны запоминать краткосрочные изменения в себе и окружающей среде, говорится в исследовании Северо-Западного и Техасского юго-западного университетов.

Эта способность передаётся потомкам на протяжении нескольких поколений, хотя такие изменения не закодированы в генах.

Это открытие может быть полезно для медицины. Например, оно поможет преодолеть устойчивость бактерий к антибиотикам: можно изменить патогенную бактерию так, чтобы её потомки были более чувствительны к лечению.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Адилсон Моттер из Северо-Западного университета утверждает, что характеристики бактерий в основном определяются ДНК. Но 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. Оказалось, что изменения в регуляции генов влияют на долгосрочные изменения в сети, которые передаются потомству. Отголоски изменений, коснувшихся родителей, сохраняются в регуляторной сети, в то время как ДНК остаётся неизменной.

Моттер — профессор физики в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета. Он также работает директором Центра сетевой динамики.

Соавторы исследования:

• Томас Вайток — постдокторский научный сотрудник;
• И Чжао — аспирант, оба работают в лаборатории Моттера;
• Кимберли Рейнольдс — системный биолог из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета.

Обучение на примере модельного организма

С 1950-х годов учёные считали, что черты характера передаются в основном через ДНК. Но после завершения проекта «Геном человека» в 2001 году они пересмотрели эту идею.

Уайток приводит пример, который указывает на возможность существования у людей наследственных признаков, не связанных с генами. Во время Второй мировой войны в Голландии был голод. Недавнее исследование показало, что дети мужчин, которые голодали в утробе матери, во взрослом возрасте имели склонность к лишнему весу. Однако выявить причины такого наследования оказалось непросто.

Моттер считает, что у сложных организмов трудно определить причины изменений из-за мешающих факторов. Однако у простейших одноклеточных организмов это сделать легче, так как можно контролировать их среду и исследовать генетику. Если удастся что-то заметить, то происхождение негенетического наследования можно будет объяснить изменениями в регуляции генов.

Регуляторная сеть — это аналог коммуникационной сети, с помощью которой гены влияют друг на друга. Моттер и его команда изучили эту гипотезу на примере кишечной палочки (E. coli) — хорошо изученной бактерии.

Уиток отмечает, что E. coli состоит всего лишь из одной клетки, в которой около 4000 генов, а не 20 000, как у человека. Также у кишечной палочки нет внутриклеточных структур, которые есть у высших организмов. Поскольку E. coli хорошо изучена, учёные знают организацию регуляторной сети её генов в деталях.

Обратимый стресс, необратимые изменения

Исследователи с помощью математической модели сымитировали временное отключение некоторых генов у бактерии E. coli, а затем их включение. Оказалось, что такие временные изменения могут вызвать необратимые последствия, которые будут передаваться потомкам в течение нескольких поколений. Сейчас команда проверяет эти результаты в лабораторных экспериментах, используя технологию CRISPR для временного отключения генов.

Если изменения не в ДНК, а в регуляторной сети, как клетка передаёт их из поколения в поколение?

Исследовательская группа предполагает, что обратимое возмущение запускает необратимую цепную реакцию в регуляторной сети. Деактивация одного гена влияет на следующий ген в сети. Гены могут образовывать самоподдерживающиеся цепи, которые после активации становятся невосприимчивыми к внешним воздействиям.

По словам эксперта по динамическому поведению сложных систем Моттера, гены взаимодействуют друг с другом. Поэтому нарушение работы одного гена отражается на других.

Команда Моттера деактивирует гены для проверки гипотезы. Он считает, что различные типы возмущений могут вызвать аналогичный эффект.

По мнению Моттера, на это могут повлиять изменения в среде обитания клетки: температура, доступность питательных веществ или рН.

Моттер предполагает, что у других организмов есть необходимые элементы для проявления негенетической наследственности. Он предупреждает, что опасно предполагать что-либо универсальным в биологии. Но он ожидает, что эффект будет общим, так как регуляторная сеть E. coli проще, чем у других организмов.

28.08.2024