Симбиотические бактерии управляют суточными ритмами кальмаров с помощью света и химических сигналов

Согласно исследованию, которое будет опубликовано 2 апреля в онлайн-журнале mBio, светящиеся бактерии внутри кальмаров используют свет и химические сигналы для контроля циркадных ритмов животных. Гавайский кальмар Euprymna scolopes содержит колонию бактерий Vibrio fischeri в своём световом органе, используя их свечение ночью в качестве камуфляжа от хищников во время охоты. Результаты показывают, что помимо функции «встроенной лампы», бактерии также контролируют экспрессию гена кальмара, который синхронизирует циркадные ритмы.

«Насколько нам известно, это первое сообщение о том, что бактерии синхронизируют суточные ритмы тканей хозяина», — говорит Маргарет Макфол-Нгай из Университета Висконсин-Мэдисон. Если бактерии могут влиять на суточные ритмы животного, вполне вероятно, что подобные влияния будут обнаружены и у других животных, включая возможное воздействие микробиоты кишечника человека через химическую сигнализацию.

Как и все животные, кальмары производят белки, настраивающие их внутренние часы на окружающий свет. E. scolopes производит два таких «световых» белка (криптохромы, или CRY). Один регулируется в голове кальмара, как и у других животных. Учёные заметили, что ген escry1, кодирующий второй белок, наиболее активен именно в световом органе, где обитают симбиотические бактерии. «Животное использует свечение вечером, поэтому люминесценция максимальна ночью. Ген escry1 циклически изменяется в соответствии с биолюминесценцией животного, а не с окружающим светом», — поясняет Макфол-Нгай.

Что именно синхронизирует этот цикл — бактериальное свечение или сами бактерии? И то, и другое.

Бактерии необходимы для цикла, поскольку у кальмаров, выращенных без симбионтов, экспрессия escry1 не циклируется. Имитация бактериального света синей лампой также не вызывала циклирования.

Свет также оказался необходимым: у кальмаров с дефектными симбионтами V. fischeri, неспособными светиться, цикл экспрессии escry1 также отсутствовал. Однако если таких кальмаров подвергали воздействию синего света, производство escry1 возвращалось к нормальному циклическому режиму.

Что в бактериях может служить сигналом для кальмара? Исследователи обратились к молекулярным паттернам, ассоциированным с микробами (MAMPs) — молекулам, сигнализирующим о присутствии микробов. «В этой системе мы неоднократно обнаруживали, что молекулы поверхности бактерий индуцируют различное клеточное поведение у хозяина», — говорит Макфол-Нгай.

Предположение подтвердилось. Комбинация MAMPs и света включала циклирование. У кальмаров без симбионтов свет вместе с MAMPs (либо липидом A липополисахарида, либо мономером пептидогликана) мог индуцировать некоторую степень циклирования, хотя и неполную, возможно, из-за способа введения молекул.

Тот факт, что бактерия может контролировать суточный ритм кальмара, важен для других областей биологии, поскольку все животные, включая человека, имеют подобные «часовые» гены, такие как escry1. «Недавние исследования показали наличие выраженных циркадных ритмов в эпителии и мукозальной иммунной системе кишечника человека, контролируемых этими генами. Что мы упускаем? Влияют ли бактерии на циклы тканей, с которыми они ассоциированы, или индуцируют их? Это область, созревшая для изучения», — отмечает Макфол-Нгай.

В дальнейших планах — связать транскрипцию гена escry1 с метаболическими циклами кальмара, чтобы понять, какие реальные изменения испытывает животное под влиянием своих бактериальных симбионтов.