Bakterie přenášejí své vzpomínky na potomky

3. 9. 2024 (mai) - Nová studie Northwestern University a University of Texas-Southwestern zjistila, že bakteriální buňky si mohou "pamatovat" krátké dočasné změny svého těla a bezprostředního okolí. A ačkoli tyto změny nejsou zakódovány v genetice buňky, buňka na ně stále předává vzpomínky svým potomkům - po několik generací.

Nejen, že tento objev zpochybňuje zažité předpoklady o tom, jak nejjednodušší organismy přenášejí a dědí fyzické vlastnosti, ale také by mohl být využit pro nové lékařské aplikace. Vědci by například mohli obejít rezistenci na antibiotika nenápadným vyladěním patogenní bakterie, aby její potomci byli citlivější na léčbu po celé generace.

Studie byla zveřejněna 28. srpna 20224 v časopise Science Advances.

"Ústředním předpokladem v bakteriální biologii je, že dědičné fyzické vlastnosti jsou určeny především DNA," řekl Adilson Motter z Northwestern, hlavní autor studie. "Ale z pohledu složitých systémů víme, že informace mohou být také uloženy na úrovni sítě regulačních vztahů mezi geny. Chtěli jsme prozkoumat, zda existují vlastnosti přenášené z rodičů na potomky, které nejsou zakódovány v DNA, ale spíše v regulační síti samotné," dodal. "Zjistili jsme, že dočasné změny v regulaci genů vtisknou do sítě trvalé změny, které se přenášejí na potomky. Jinými slovy, ozvěny změn ovlivňujících jejich rodiče přetrvávají v regulační síti, zatímco DNA zůstává beze změny."

Motter je profesorem fyziky na Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences a ředitelem Centra pro dynamiku sítí. Spoluautory studie jsou postdoktorand Thomas Wytock a postgraduální student Yi Zhao, kteří jsou oba členy Motterovy laboratoře. Studie také zahrnuje spolupráci s Kimberly Reynoldsovou, systémovou bioložkou z University of Texas Southwestern Medical Center.

Učení od modelového organismu

Od doby, kdy vědci poprvé identifikovali molekulární základy genetického kódu v 50. letech 20. století, předpokládali, že vlastnosti jsou primárně – ne-li výlučně – přenášeny prostřednictvím DNA. Po dokončení projektu Human Genome Project v roce 2001 však výzkumníci tento předpoklad přehodnotili.

Wytock uvádí nizozemský hladomor z druhé světové války jako dokonalý příklad poukazující na možnost dědičných, negenetických vlastností u lidí. Nedávná studie ukázala, že děti mužů, kteří byli vystaveni hladomoru in utero, vykazovaly v dospělosti zvýšený sklon k nadváze. Ale izolování konečných příčin tohoto typu negenetické dědičnosti u lidí se ukázalo jako náročné.

"V případě složitých organismů spočívá výzva v rozuzlení matoucích faktorů, jako je zkreslení přeživších," řekl Motter. "Ale možná můžeme izolovat příčiny u nejjednodušších jednobuněčných organismů, protože můžeme ovládat jejich prostředí a zkoumat jejich genetiku. Pokud v tomto případě něco pozorujeme, můžeme připsat původ negenetické dědičnosti omezenému počtu možnosti - zejména změny v genové regulaci."

Regulační síť je analogická komunikační síti, kterou geny používají ke vzájemnému ovlivňování. Výzkumný tým předpokládal, že tato síť samotná by mohla být klíčem k přenosu vlastností na potomky. K prozkoumání této hypotézy se Motter a jeho tým obrátili na Escherichia coli (E. coli), běžnou bakterii a dobře prostudovaný modelový organismus.

"V případě E. coli je celý organismus jedinou buňkou," řekl Wytock. "Má mnohem méně genů než lidská buňka, asi 4 000 genů oproti 20 000. Postrádá také intracelulární struktury, o nichž je známo, že jsou základem trvalé organizace DNA v kvasinkách a mnohočetnosti buněčných typů ve vyšších organismech. Protože E. coli je dobře prostudovaný modelový organismus, do značné míry známe organizaci regulační sítě genů."

Vratný stres, nevratná změna

Výzkumný tým pomocí matematického modelu regulační sítě simuloval dočasnou deaktivaci (a následnou reaktivaci) jednotlivých genů v E. coli. Zjistili, že tyto přechodné poruchy mohou generovat trvalé změny, o kterých se předpokládá, že se budou dědit po několik generací. Tým v současné době pracuje na ověření svých simulací v laboratorních experimentech pomocí variace CRISPR, která deaktivuje geny dočasně, nikoli trvale.

Pokud jsou však změny zakódovány spíše v regulační síti než v DNA, výzkumný tým se zeptal, jak je buňka může přenášet napříč generacemi. Jeví se, že vratná porucha vyvolala nevratnou řetězovou reakci v rámci regulační sítě. Jakmile se jeden gen deaktivuje, ovlivní gen vedle něj v síti. V době, kdy je první gen reaktivován, je kaskáda již v plném proudu, protože geny mohou tvořit soběstačné okruhy, které se po aktivaci stanou nepropustnými pro vnější vlivy.

"Je to síťový fenomén," řekl Motter, který je odborníkem na dynamické chování komplexních systémů. "Geny se vzájemně ovlivňují. Pokud narušíte jeden gen, ovlivní to ostatní."

Ačkoli jeho tým deaktivuje geny, aby ověřil hypotézu, Motterovi je jasné, že různé typy poruch by mohly způsobit podobný účinek. "Také jsme mohli změnit prostředí buňky," řekl. "Může to být teplota, dostupnost živin nebo pH."

Studie naznačuje, že také další organismy mají nezbytné prvky k tomu, aby vykazovaly negenetickou dědičnost. "V biologii je nebezpečné předpokládat, že cokoli je univerzální," tvrdí Motter. "Ale intuitivně očekávám, že účinek bude běžný, protože regulační síť E. coli je podobná nebo jednodušší než u jiných organismů."

Studii "Nezvratnost v bakteriálních regulačních sítích" podpořila National Science Foundation (číslo ocenění MCB-2206974).

- mai