В последнее время выходит множество работ, посвященных симбиотическим бактериям в организме млекопитающих. Мы уже знаем, что они влияют на работу кишечника, обмен веществ, иммунитет и даже психическое здоровье. Но изучать вклад каждой конкретной бактерии в жизнь хозяина очень непросто, так как в кишечнике млекопитающих живут десятки и сотни разных видов. Поэтому ученые обращаются к короткохвостым кальмарам, сожительствующим только с одной бактерией — люминесцентной Vibrio fischeri, чтобы проследить их взаимодействие до мельчайших деталей.
Кальмары Euprymna scolopes, как и млекопитающие, появляются на свет стерильными, то есть не содержат бактерий. В первые часы жизни вибрионы проникают в их кишечник и оседают на его стенках. Они вызывают отмирание клеток стенки кишечника и через образующийся просвет проникают в световой орган и селятся в нем. Каждый день на рассвете кальмар выбрасывает 90% своих микроскопических соседей в окружающий мир, чтобы не допустить перенаселения. При этом выживают только честно «работающие» вибрионы, то есть те, которые светятся. Мутантные бактерии, неспособные испускать лучи, не могут задержаться внутри организма и исчезают в течение первых дней жизни. Оставшиеся микробы взрослеют вместе с кальмаром, и примерно через месяц после вылупления он начинает охотиться с использованием их света, а взамен кормит бактерий хитином из панцирей своих жертв.
Ученые из Гавайского университета в Маноа и Висконсинского университета в Мэдисоне исследовали отношения кальмара с микробами на уровне экспрессии генов. Они сравнили набор работающих генов в световом органе, глазу и жабрах заселенных бактериями и стерильных моллюсков. Выбор не случаен: световой орган — основное место жизни бактерий, глаз находится поблизости и может улавливать излучение, а жабры расположены на другом конце организма, но пронизаны кровеносными сосудами, связывающими их, в частности, с глазом и кишечником.
Оказалось, что бактерии влияют на работу всех изученных органов. Сильнее всего изменилась экспрессия генов в световом органе, затем — в глазу. Уже через сутки после заселения ученые смогли найти следы их воздействия даже в жабрах, хотя этот орган напрямую не связан с деятельностью бактерий. Это оказалось уникальной чертой кальмаров: когда исследователи повторили эксперимент с мышами и кишечными бактериями, они не обнаружили никаких изменений в клетках глаза, несмотря на то что у млекопитающих и головоногих моллюсков есть много общих генов, отвечающих за зрение. Судя по всему, дело именно в расположении бактерий в организме.
Однако когда кальмаров заселили мутантными, несветящимися вибрионами, ситуация изменилась. В световом органе из почти 2000 генов, реагирующих на заселение бактериями, «сработала» только одна треть, а в клетках глаза — ни один. Судя по всему, организм моллюска адаптируется к соседям только под действием свечения. Правда, пока неясно, как именно клетки на него реагируют — напрямую или через посредничество нервной системы.
Наконец, ученые измерили экспрессию генов у взрослых моллюсков в разное время суток. Они нашли два гена, работа которых во всех органах в присутствии бактерий изменялась циклически. Один из них — АСЕ, предположительно, отвечает за регуляцию давления, а второй — Gal1 — кодирует антимикробный белок. В световом органе, глазу и жабрах действовали свои суточные ритмы, регулирующие работу этих генов и, следовательно, иммунную атаку на симбионтов и обмен веществ. Это позволяет предположить, что органы млекопитающих тоже могут реагировать на кишечные бактерии издалека и подстраивать под них собственные ритмы. Однако это еще предстоит проверить.
Полина Лосева