Бактерии воюют друг с другом вирусами

Чтобы не пускать к себе конкурентов, кишечные палочки используют сразу двух бактериофагов, чтобы узнавать и убивать чужаков.

Бактерии живут в сложных сообществах, иногда дружа друг с другом, иногда враждуя. Но чтобы дружить или враждовать, нужно уметь отличать друзей от врагов.

Исследователи из Университета штата Пенсильвания вместе с коллегами из Китайской академии наук наблюдали, как растут вместе разные штаммы кишечной палочки. Когда штаммы встречались, между ними появлялась демаркационная линия – граница, через которую они не могли перейти и потому не смешивались друг с другом. Но если встречались не разные штаммы, а разные клоны одного штамма, то никакой демаркационной линии не появлялось, бактерии объединялись в одну популяцию. То есть, очевидно, у разных штаммов был механизм, позволяющий узнавать своих.

Чтобы узнать, какие гены за это отвечают, нужно было сравнить поведение кишечных палочек, у которых были отключены те или иные гены. Оказалось, что бактерии перестают отгораживаться от чужих, если у них не синтезируется белок, необходимый для размножения некоторых вирусов-бактериофагов. Точно так же границы между штаммами не появлялось, если у бактерий из генома исчезали так называемые профаги – куски вирусной ДНК, которая встроена в бактериальную хромосому. Такой спящий вирус никак не беспокоит бактерию – новых вирусных частиц в ней не появляется. В то де время некоторые вирусные белки клетка вполне может синтезировать для своих целей.

Один из спящих вирусов, которые помогали бактериям проложить границу между собой и соседями, оказался фаг CPS-53 – если у бактерий был фаг CPS-53 и его белок под названием YfdM, между группами микробов возникала та самая демаркационная линия. Но что такое эта демаркационная линия? Это погибшие клетки. Убить неприятных соседей мог бы вирус, но вирус CPS-53 спит. Оказывается, кишечные палочки задействуют ещё одного фага – SW1. Для размножения он может использовать тот самый белок YfdM, который исходно совсем не его.

Бактерии, которые уже имели дело с фагом SW1 и у которых есть для него белок YfdM, страдают от фага в меньшей степени – вирус заражает клетки, но, размножаясь, он реже их убивает. Но если SW1 столкнётся с бактериями, которые с ним ещё не сталкивались и у которых нет YfdM, то для них всё закончится плохо – фаг будет размножаться чрезвычайно агрессивно и клетки будут гибнуть.

Иными словами, бактерии научились использовать запчасти от спящего вируса вместе с другим, неспящим вирусом, чтобы отграничивать себя от соседей, чтобы не пускать их на свои питательные ресурсы. Спящий фаг нужен, чтобы отличить своих от чужих, а неспящий – чтобы отделить своих от чужих. В статье в Cell Reports говорится, что для различения своих и чужих кишечные палочки могут использовать и другие вирусы. Возможно, этот механизм работает и у других бактерий тоже; и, возможно, его удастся использовать в медицине – например, в тех случаях, когда нужно наладить обстановку в микрофлоре, чтобы поощрить своих симбионтов и изгнать чужаков-патогенов.



По материалам Phys.org.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь 

В контактных зоопарках живут лекарственноустойчивые бактерии

На коже, шерсти и перьях животных, живущих в контактных зоопарках, можно найти микробов, которые не поддаются антибиотикам.

Бактерии, как все живые существа, стараются приспособиться к условиям среды, и если в среде появляются антибиотики, бактерии стараются приспособиться и к ним. И у них это получается: некогда губительные, антибиотики всё чаще оказываются бесполезными, и современной науке приходится решать проблему лекарственной устойчивости микробов. Положение усугубляется тем, что бактерии приобретают устойчивость не к одному, а часто сразу к целому классу антибиотиков. Такие штаммы с множественной лекарственной устойчивостью могут быть очень и очень опасными.

Дело здесь не только в том, что сами люди долго лечились какими-то антибиотиками. Считается, что одна из главных причин появления лекарственноустойчивых бактерий – это лекарственные добавки в корма для животных на животноводческих предприятиях. Долгое время добавки с антибиотиками использовали для профилактики заболеваний, так что у микробов, живущих на фермах, и у тех, которые сталкивались с антибиотиками в разнообразных отходах с ферм, была масса возможностей научиться уходить от их действия. 
В то же время, как известно, у бактерий очень распространён горизонтальный перенос генов, когда ген переходит не «по вертикали» (то есть от родительской бактерии к дочерней), а по «горизонтали» – одна «взрослая» бактерия подхватывает кусок ДНК от другой «взрослой» бактерии. И именно таким образом гены лекарственной устойчивости могут перейти от бактерий, поражающих животных, к бактериям, поражающим людей.

Тут многие наверняка догадались, что лекарственноустойчивых бактерий можно подцепить в контактных зоопарках – не зря же они стоят в названии. Контактные зоопарки – это те, где можно трогать и гладить разных животных, порой довольно экзотических. Исследователи из Ариэльского университета собрали образцы фекалий, шерсти, перьев и частичек кожи с 228 животных из восьми таких зоопарков в разных концах Израиля и проанализировали ДНК из образцов на предмет бактериальных генов. Авторы работы искали гены ферментов, которые расщепляют бета-лактамные антибиотики, к которым относятся цефалоспорины, пенициллины и др.; результаты сообщили в докладе на Европейском конгрессе клинической микробиологии и инфекционных болезней.

Оказалось, что в 12% образцов был как минимум один бактериальный штамм с множественной лекарственной устойчивостью. У зоопарковых животных, получавших антибиотики, вероятность обнаружить лекарственноустойчивых микробов была в семь раз выше. У четверти животных таких бактерий было больше одной разновидности. В 77% случаев лекарственноустойчивые бактерии были в фекалиях, в 23% – в шерсти, перьях и на коже. 
Цифры достаточно большие, чтобы контактные зоопарки можно было назвать одним из источников особо проблемных микробов – по крайней мере, некоторые из зоопарков. Однако всё же стоит уточнить, что из этой работы нельзя сделать вывод, насколько контактные зоопарки ответственны за те или иные клинические случаи лекарственноустойчивых инфекций.



По материалам MedicalXpress.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь

Диабетикам лучше начинать день с омлета

Низкоуглеводный завтрак помогает уменьшить колебания уровня глюкозы в крови в течение всего дня.

После завтрака уровень сахара в крови резко вырастает, потому что на завтрак часто едят каши и вообще зерновые продукты, тосты и фрукты. (Кто-то скажет, что завтракает жареной курицей, сосисками или котлетой, но мода сейчас всё-таки на зерново-фруктовые завтраки.) Но в кашах, фруктах и хлопьях много углеводов, вот и получается «сахарный всплеск» в крови. Для здорового человека в этом нет ничего страшного. Но больному диабетом таких скачков сахара лучше не допускать.

Очевидный выход тут – сменить меню завтрака. Исследователи из Университета Британской Колумбии поставили эксперимент с группой больных диабетом второго типа (напомним, что диабет второго типа – это когда ткани теряют чувствительность к инсулину и перестают поглощать глюкозу из крови, отчего его также называют инсулиннезависимым диабетом). В первый день все участники эксперимента ели на завтрак омлет, во второй день – овсянку и фрукты. Обед и ужин что в первый день, что во второй были одинаковыми. Уровень глюкозы измеряли с помощью прибора, прикреплённого к животу и снимавшего показания каждые пять минут. Кроме того, сами подопытные должны были сообщать, насколько сильный голод они чувствуют, насколько они наелись и хочется ли им после еды съесть ещё что-то вкусненькое.

В статье в The American Journal of Clinical Nutrition говорится, что после омлета уровень сахара в крови поднимался совсем не так сильно, как после каши с фруктами. Но что самое главное – уровень глюкозы после омлета на завтрак оставался стабилен в течение всего дня. То есть после углеводного завтрака в каждый последующий приём пищи организм хуже справлялся с повышением сахара в крови, а вот белково-жировой завтрак (в котором углеводов было не более 10%) помогал держать сахар под контролем. Не то чтобы при этом снижался общий уровень глюкозы, он просто не очень сильно менялся – а именно сильные колебания сахара, по словам авторов работы, вредят почкам, глазам, кровеносным сосудам больных диабетом.

Кроме того, после яичного завтрака человек к обеду и ужину приходил не таким голодным, как после завтрака из каши с фруктами, и желание съесть после еды ещё что-нибудь сладкое тоже уменьшалось. Очевидно, малоуглеводный завтрак – действительно довольно простой и эффективный способ, который может помочь больному диабетом поддерживать обмен веществ в относительно спокойном состоянии.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь

Электричество омолаживает мозг

Синхронизация двух участков коры делает рабочую память на полжизни моложе.

Стимуляцию мозга слабым электрическим током или магнитным полем сейчас активно пытаются использовать, чтобы улучшить мозговые функции: улучшить память, улучшить ассоциативное мышление, избавить от депрессии и табачной зависимости, справиться с последствиями инсульта; при этом черепную коробку не вскрывают и в сам мозг не вторгаются – электрический ток и магнитное поле приходят в него извне сквозь кожу и кости черепа.

В недавней статье в Nature Neuroscience исследователи из Бостонского университета пишут, что электричеством можно обернуть вспять даже некоторые возрастные изменения, случающиеся с мозгом и высшими когнитивными функциями. Речь снова идёт о памяти, точнее, о рабочей памяти, о которой мы много раз писали. Если вкратце, то в рабочей памяти хранится информация, с которой мы работаем в данный момент, а поскольку мы постоянно что-то читаем, слушаем, обдумываем, планируем, и т. д., её значение трудно преувеличить – без рабочей памяти мы бы в буквальном смысле не могли бы связать и двух слов. С возрастом рабочая память ухудшается, и это сопровождается изменениями в электрической активности мозга: разные его участки рассинхронизируются, а значит, нейроны общаются уже не так эффективно, как раньше – ведь если между вами есть надёжная связь, то и электрическая активность у вас будет синхронной. А для памяти как раз важно, чтобы нейроны работали вместе.

Роберт Рейнхарт (Robert Reinhart) и Джон Нгуен (John Nguyen) пригласили в лабораторию несколько десятков человек от 60 до 80 лет без психоневрологических заболеваний. Им показывали ряд изображений, в которых некий привычный предмет повседневности спустя какое-то время сменялся либо идентичной картинкой, либо картинкой, на которой тот же предмет был как-то изменён. Нужно было заметить, когда предмет на второй картинке отличался от того, что был на первой.

Через тест с картинками нужно было пройти дважды: до стимуляции слабым током и после. Электрический ток подбирали так, чтобы синхронизировать активность префронтальной и височной коры полушарий, которые очень важны для высшей нервной деятельности. После двадцатипятиминутной стимуляции пожилые участники эксперимента в среднем лучше замечали, когда предметы на картинках похожи, а когда – нет; их мозг работал также, как у группы более молодых людей в возрасте от 20 до 30. 
В то же время у ещё одной группы пожилых подопытных, которых тоже стимулировали током, но без синхронизации префронтальной и височной коры, никакого улучшения в работе мозга не было. Наконец, когда у молодых людей в возрасте от 20 до 30 с помощью электростимуляции рассинхронизировали активность двух зон мозга, тест с картинками они начинали проходить хуже – сходства и различия они замечали с меньшей точностью, и на сам тест у них уходило больше времени.

Поскольку чтобы сравнить два изображения, нужно задействовать рабочую память, то можно сделать вывод, что синхронизация зон мозга как раз рабочую память и улучшала. Эффект длился как минимум час – потому что дольше эксперимент просто не проводили. Вряд ли электроомоложение памяти длится после такой 25-минутной стимуляции бесконечно долго, но, думается, даже если эффект задержится хотя бы на день, это может стать достаточно удобным способом поддержать стареющий мозг на плаву.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь

«Депрессивные гены» подвергают сомнению

Почти два десятка известных «депрессивных генов» оказались связаны с депрессией не более, чем любые другие.

Для депрессии, как и для других психоневрологических расстройств, активно ищут генетические причины. Действительно, депрессивные расстройства повторяются в семьях – то есть, очевидно, передаются по наследству. С другой стороны, наша психика во многом обусловлена молекулярно-клеточными процессами в мозге – появлением и исчезновением межнейронных синапсов, повышением и уменьшением уровня нейромедиаторов, которые помогают нервному импульсу перескочить через синапс, и т. д. Но синапсы, нейромедиаторы и прочее зависит опять же от генов.

В качестве одного из самых известных «депрессивных генов» можно вспомнить 5-HTTLPR. Строго говоря, это не ген, а регуляторная область перед геном SLC6A4. А вот SLC6A4 кодирует белок, захватывающий серотонин из синаптической щели и возвращающий его обратно в нейрон-передатчик. Серотонин используют нейронные цепи, обслуживающие хорошее настроение и радостные эмоции (хотя его роль этим не ограничивается). Соответственно, белки и их гены, которые управляют уровнем серотонина, будут влиять на силу радостных эмоций.

Нейромедиатор, который не был использован, поглощает нейрон-передатчик. Но может быть так, что белок, который этим занимается, окажется слишком старательным и будет возвращать обратно слишком много серотонина, так что на радость его, грубо говоря, просто не останется. То, каким будет белок, зависит от вышеупомянутой регуляторной области перед геном SLC6A4. Соответственно, можно предположить, что человек, у которого из-за определённого варианта 5-HTTLPR получится слишком старательный транспортёр серотонина, будет особенно предрасположен к депрессии.

Однако по мере того, как исследователи описывали разные гены, связанные с депрессией, по их поводу возникало всё больше сомнений. Так, два года назад сотрудники Вашингтонского университета в Сент-Луисе писали в Molecular Psychiatry, что связь 5-HTTLPR с депрессией может быть сильно преувеличена. А на днях в American Journal of Psychiatry вышла статья сотрудников Колорадского университета в Боулдере, проанализировавших 18 депрессивных генов, каждому из которых было посвящено не менее десяти научных работ. Среди них был и вышеупомянутый SLC6A4 (чью депрессивность, кстати говоря, изучают уже около двадцати лет), и ген BDNF, кодирующий белок под названием нейротрофический фактор мозга. От BDNF зависит рост нейронов и уровень дофамина – ещё одного нейромедиатора, связанного с чувством счастья и удовольствия.

За годы совершенствования методов, позволяющих читать ДНК, появились огромные банки данных, содержащие генетические сведения о десятках и сотнях тысячах людей. Из нескольких таких банков авторы работы взяли сведения о 620 000 людей, чтобы понять, как связаны с депрессией известные «депрессивные гены», взятые поодиночке или порознь. Оказалось, что все они связаны с депрессией не более, чем любые другие гены. То есть исследования, в которых говорилось о том, что тот или иной ген связан с высокой вероятностью депрессии, сообщали на самом деле ложноположительные результаты. И происходило так во многом из-за того, что в прошлых работах часто оперировали небольшой статистикой.

Но это не значит, что у депрессии нет генетических причин. Просто её генетический портрет в действительности на самом деле намного сложнее. Скорее всего, со стороны генома в депрессию вносят вклад очень, очень много генов, однако если рассматривать их в индивидуальном порядке, то мы обнаружим, что по отдельности их роль очень и очень невелика. (Одно из косвенных свидетельств в пользу такой точки зрения – то, что во время депрессии активность многих генов в женском и мужском мозге изменяется противоположным образом.) Возможно, именно большие генетические данные помогут охватить всю мозаику «депрессивных генов» – и помогут, наконец, понять, как эффективно бороться с депрессией с учётом её особенностей у разных пациентов.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь

Противораковые молекулы меняют укладку хромосом

Деление раковых клеток можно остановить, изменив пространственную структуру хромосом.

Если мы хотим изменить активность какого-нибудь гена – например, того, из-за которого раковые клетки непрерывно делятся – мы можем его просто испортить, то есть мутировать, изменить в нём последовательность букв генетического алфавита. Любой ген работает не сам по себе, а с помощью множества белков, которые занимаются генетической информацией – и с помощью мутации можно сделать так, что эти белки перестанут обращать внимание на определённый ген.

А можно поступить иначе – закрыть доступ к гену, чтобы белки, активирующие генетическую информацию, просто не могли к нему добраться. Например, можно изменить упаковку ДНК. Известно, что хромосомы в ядре не плавают в хаотичном переплетении, а определённым образом структурированы. Некоторые куски ДНК специально сближены (хотя на выпрямленной нитке ДНК они бы оказались очень далеко друг от друга), другие же, хотя и находятся на первый взгляд совсем рядом, отделены друг от друга особыми молекулярными барьерами. В зависимости от укладки ДНК в пространстве ядра гены могут быть активны или нет, так что трёхмерная структура генома оказывается мощным способом регуляции генетической активности.

Среди веществ, которые влияют на 3D-структуру генома, есть кураксины, синтезированные несколько лет назад в лаборатории профессора Катерины Гуровой в Онкологическом центре Розуэлла Парка. Кураксины убивают раковые клетки, но не действуют на клетки здоровые. Было известно, что они вмешиваются во взаимодействие ДНК и гистонов – специальных белков-упаковщиков. Они постоянно сопровождают ДНК в клеточном ядре и во многом определяют трёхмерную структуру генома. Более подробно механизм действия кураксинов описан в новой статье, которую в Nature Communications опубликовали исследователи из Института биологии гена РАН, Московского государственного университета, Онкоцентра Розуэлла Парка и других научных центров.

Кураксины действительно перестраивают хромосомы – в том смысле, что они меняют их пространственную структуру, и работает это следующим образом. Чтобы ген был активен, его нужно сблизить с особой энхансерной последовательностью, которая несёт на себе белки, необходимые для работы гена. Энхансеры часто сидят довольно далеко от тех генов, которыми они управляют, и это очень удобно с точки зрения регуляции: изгибая нить ДНК, сматывая её или разматывая, можно то приближать энхансер и ген друг к другу, то удалять. Кураксины делают так, чтобы некоторые онкогены, стимулирующие деление раковых клеток, разошлись со своими энхансерами. Геномная топология зависит от разных белков, и один из них – белок CTCF, про который мы как-то писали, что он при укладке хромосом работает молекулярной застёжкой в огромных петлях ДНК. Кураксины действуют на эту «застёжку», заставляя ДНК перестроиться, что, очевидно, отражается на состоянии раковых клеток.

Полученные результаты не только проясняют, как работают перспективные противораковые средства, но и могут помочь в создании других лекарств, которые будут работать похожим образом, но будут ещё более эффективными.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского научного фонда (РНФ).

По материалам пресс-службы РНФ

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь