Синхронный танец генов: кальмар и его светящиеся бактерии живут в гармонии

Большинство людей не осознаёт, что наше здоровое существование зависит от триллионов микробов, населяющих различные уголки нашего тела, в первую очередь кишечник. В ходе эволюции сложилось взаимовыгодное сосуществование, но детали того, как клетки хозяина и бактерии взаимодействуют, оставались неясными.

Ключ к пониманию этого баланса может дать исследование крошечного тихоокеанского кальмара (Euprymna scolopes) и биолюминесцентных бактерий Vibrio fischeri, которые колонизируют его светящийся орган, помогающий маскироваться от хищников.

Генетический диалог в ритме дня

В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, группа под руководством Маргарет Макфол-Нгай и Эдварда Руби из Университета Висконсин-Мэдисон изучила генетическое взаимодействие в этом симбиозе.

Учёные использовали микрочипы, чтобы отследить, какие гены партнёров включаются или выключаются в разное время суток. Они обнаружили глубокий суточный ритм активности у обоих партнёров.

Динамика взаимодействия

Ранее было установлено, что каждое утро на рассвете кальмар изгоняет около 90% бактерий из своего светящегося органа. Интенсивность свечения бактерий также меняется, достигая пика ночью, когда кальмар наиболее активен.

Новое исследование показало, что перед рассветом животное включает большинство генов, связанных с цитоскелетом (внутренним каркасом клеток). Электронная микроскопия выявила, что в это время структура ткани, колонизированной бактериями, сильно нарушается, а части мембран клеток кальмара отслаиваются в пространство, где живут бактерии.

Сразу после рассвета, после изгнания симбионтов, кальмар отключает гены цитоскелета. По мере того как оставшиеся бактерии снова заселяют ткани, клетки кальмара возвращаются к своему высокоорганизованному дневному состоянию.

Метаболический цикл бактерий

В ответ на высвобожденные мембраны хозяина бактерии включают все гены и пути, связанные с использованием этих мембран в качестве пищи. После исчерпания этого источника питательных веществ кальмар начинает снабжать симбионтов сложными сахарами.

"Бактерии, по-видимому, циклически проходят через различные метаболические состояния в ответ на различные источники пищи, предоставляемые хозяином", — отмечает Макфол-Нгай.

Универсальный механизм?

Подобные изменения цитоскелета ранее наблюдались при патогенезе у человека, например, при разрушении тканей кишечника бактерией E. coli O157.

Детали, выявленные в системе "кальмар–бактерия", могут иметь более широкое применение для понимания ассоциаций животных и микробов. По словам Макфол-Нгай, суточные ритмы поддержания симбиоза, вероятно, универсальны и не ограничиваются лишь этим маленьким кальмаром. Это открытие может иметь важное практическое значение для здоровья человека и животных.