Когда люди видят, что их дети собираются съесть что-то, чего им не следует, мы можем просто сказать им: «Не ешьте это, вам станет плохо». Те, кто прислушиваются к этому совету, избавлены от болезненного опыта усвоения этого урока для себя. В то время как другие животные не могут усадить своих потомков для хорошего разговора, это не означает, что они не могут проинструктировать своих потомков о потенциальном вреде.
Например, микроскопическая аскарида Caenorhabditis elegans питается такими бактериями, как Pseudomonas aeruginosa. Однако определенные условия окружающей среды могут привести к изменению P. aeruginosa таким образом, что она станет патогенной, то есть заразит поедающих ее червей. В 2019 году исследователи из лаборатории Мерфи показали, что, когда матери-черви заболевают P. aeruginosa, они учатся избегать бактерии. Не только это, но и их потомки, вплоть до их праправнуков, каким-то образом также знают, что нужно избегать бактерий. Однако через четыре поколения трансгенерационное поведение избегания исчезает, позволяя червям снова вернуться к питанию бактерией.
С. elegans настолько интенсивно изучалась, что мы знаем не только идентичность (например, нейрон, мышечная клетка, кишечная клетка и т. д.) каждой клетки в ее теле, но также и порядок, в котором она появляется во время эмбрионального развития. Тем не менее, червь все еще умудряется удивлять нас сложным поведением, таким как избегание смены поколений. Что вызывает такое поведение? Первоначальная работа лаборатории Мерфи показала, что другие типы патогенных бактерий не вызывают поведения избегания у потомства, что указывает на то, что поведение специфично для патогенных P.аэругиноза. Кроме того, исследователи показали, что избегание патогенной P. aeruginosa контролируется одним конкретным нейроном червя. Но осталось несколько вопросов об этом явлении, поэтому команда продолжила расследование.
«Мы задавались вопросом, как черви могут узнать идентичность бактерий, которые они едят», - сказала Колин Мерфи, профессор молекулярной биологии и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера (LSI) и старший автор исследования. статья с подробным изложением выводов команды в журнале Nature.
Чтобы исследовать этот вопрос, два исследователя из лаборатории Мерфи - младший научный сотрудник Рэйчел Калецки и аспирант Ребекка Мур - кормили червей безвредной бактерией, в которую были добавлены различные материалы, выделенные из патогенной P. aeruginosa. Эти материалы включали вещества, участвующие в метаболических процессах бактерий, а также бактериальный генетический материал. Последний состоит из трех классов молекул: ДНК, которую можно рассматривать как поваренную книгу, содержащую рецепты всех белков, которые организму необходимо производить для выживания; матричные РНК, которые представляют собой копии отдельных рецептов, которые считываются для построения белков; и малые РНК, которые не кодируют белки, а вместо этого выполняют регуляторные функции в клетках, часто способствуя разрушению матричных РНК.
"Вместо сигнала от метаболитов, которые производят бактерии, как мы изначально ожидали, мы обнаружили, что черви "считывают" малые РНК, которые производят бактерии, особенно малые РНК, которые коррелируют с патогенным состоянием микроорганизма. бактерий», - сказал Мерфи. На самом деле исследователи обнаружили, что для наследуемого поведения избегания требуется одна специфическая бактериальная малая РНК, называемая P11.
«Работа с бактериями, которую проделал Джефф Врла в лаборатории Земера Гитая, имела решающее значение для доказательства того, что ключевой малой РНК была P11», - сказал Мерфи.
«Сама по себе малая РНК P11 даже не вызывает болезни у червей - достаточно просто обнаружить присутствие P11, чтобы черви избежали контакта с бактериями и передали ее четырем поколениям потомства», - добавляет она..
Калецкий, Мур и их коллеги обнаружили, что после того, как червь съел бактерию, P11 поглощается и обрабатывается кишечником червя, а затем попадает в яйца и сперму червя.(Матери C. elegans являются гермафродитами, поэтому они обладают обоими типами репродуктивных клеток и могут самооплодотворяться.) Оттуда P11 передается нейрону, контролирующему избегающее поведение матери, где он вызывает разрушение РНК-мессенджеров червей, которые кодируют белок под названием макоилин. Потеря информационной РНК предотвращает производство этого белка, и это, в свою очередь, заставляет червя избегать патогенной бактерии. Присутствие P11 в репродуктивных клетках червя также обеспечивает его доступность для последующих поколений червей.
«Насколько нам известно, это первый обнаруженный пример животного-хозяина, «читающего» малую РНК патогена и развивающего ответ, который помогает ему оставаться более здоровым, своего рода зарождающийся ответ адаптивной иммунной системы, - сказал Мерфи.
«Существует всего несколько примеров такой межвидовой молекулярной коммуникации с помощью малых РНК, и еще меньше примеров адаптивных трансгенерационных поведенческих изменений в ответ на малые РНК», - сказала Джули Клейкомб, канадский исследовательский руководитель в области малых РНК. биологии в Университете Торонто, который не участвовал в работе.
«Это исследование устанавливает высокий стандарт для понимания молекулярных механизмов, управляющих такими явлениями, и открывает новую область исследований в будущем», - добавил Клейкомб.