6 Minutės
Mokslininkai atskleidė anksčiau nežinomą mažų, RNR pagrindu veikiančių struktūrų klasę, gyvenančią bakterijose, kurios sudaro mūsų burnos ir žarnyno mikrobiomą. Šios strypo formos, apskritos RNR — pravardžiuojamos „obeliskais“ — yra mažesnės už daugelį virusų, tačiau jose yra genetinių instrukcijų, kurias ląstelės gali perskaityti. Šis atradimas kelia naujų klausimų apie tai, kiek mūsų vidinėje ekosistemoje dar likę nematyto ir kokią įtaką tokios mikro-architektūros gali daryti žmogaus sveikatai, imuninėms reakcijoms ir mikrobiomos dinamikai.
Kuo obeliskų RNR yra neįprastos ir kaip jos apibūdinamos
Tyrėjai iš Stanfordo apibūdina obeliskų RNR kaip viengrandes, cirkuliarias RNR molekules, kurių dydis panašus į viroidų, tačiau jos savarankiškai organizuojasi į strypo (rod) pavidalo struktūras. Skirtingai nei tradiciniai virusai, obeliskai neturi baltymų apvalkalo (kapsidės), tačiau kai kuriuose jų genomuose aptinkamos viena ar dvi genų panašios sekos, kurios gali potencialiai koduoti baltymus. Dėl šios savybės obeliskai yra biologiškai dviprasmiški: jie dalinai primena viroidus, dalinai — virusus, ir todėl kelia esminių klausimų apie RNR evoliucijos kelius bei klasifikaciją. Be to, jų morfologinė saviorganizacija į stabilius strypus kelia klausimų apie RNR molekulių sandarą, intramolekulinių sąveikų modelius ir galimus stabilizuojančius elementus, pavyzdžiui, vietinius susivyniojimus ar specifines bazines poras.
Kaip mokslininkai aptiko beveik 30 000 įvairių tipų obeliskų
Tyrėjų komanda aptiko beveik 30 000 skirtingų obeliskų sekų įvairiuose pasaulio mikrobiomos mėginiuose, o didžiausias paplitimas buvo nustatytas burnos ir žarnyno bendruomenėse. Naudodami didelio masto metagenominį sekvenavimą ir tikslinius bioinformatikos paieškos metodus mažoms, cirkuliarioms RNR sekoms atpažinti, mokslininkai žemėlapiu išdėstė šiuos elementus skirtinguose žmonių populiacijos mėginiuose. Paieškos apėmė tiek tradicinius de novo surinkimo metodus, tiek specializuotus algoritmus, skirtus identifikuoti RNAs, kurios rodo RNazės R atsparumą ar turi tipines cirkuliarumo žymes, taip pat kontrolinius filtrus, kad būtų pašalintos techninės klaidos ir kontaminantai.
Analizė apėmė didelį skaičių duomenų šaltinių: burnos biofilmus, seiles, išmatas, gydomųjų procedūrų mėginius ir anksčiau publikuotus metagenominius rinkinius, leidusius aptikti obeliskų sekas tarp skirtingų geografinių regionų ir amžiaus grupių. Bioinformatiniame etape tyrėjai naudojo pažangius modelius, įskaitant profilių PSSM (position-specific scoring matrices) panašumų paieškai, bei mašininio mokymosi priemones, skirtas atskirti tikras RNR struktūras nuo atsitiktinių trumpų nukleotidų sekų. Be to, kai kuriose tyrimo dalyse atlikti validacijos eksperimentai, įskaitant RT-PCR ir RNazės R eksperimentus, kurie patvirtino kai kurių identifikuotų sekų cirkuliarumą ir pastovumą biologinėse medžiagose.
Kaip pažymi mikrobų evoliucijos ekspertas Ed Feil, obeliskai atrodo kaip cirkuliarūs genetiniai „skudurai“, kurie savarankiškai organizuojasi į strypus ir gali kolonizuoti tiek bakterines, tiek grybines ląsteles. Ši pobūdžio ir struktūros kombinacija leidžia manyti, kad obeliskai galėtų veikti kaip paslėpti genominiai moduliai, perdarantys arba moduliuojantys šeimininkų genų raišką arba veikiantys kaip reguliavimo elementai mikrobiomos ekologijoje.
Kodėl mikrobiologai džiaugiasi, bet ir yra atsargūs
„Tai neįtikėtina,“ sakė Mark Peifer, ląstelių ir vystymosi biologas, atspindėdamas daugelio tyrėjų nuostabą dėl atradimo masto. Tuo pat metu mokslininkai pabrėžia atsargumą, nes dabar kyla praktiniai ir metodologiniai klausimai: kurios šeimininkų ląstelės iš tikrųjų palaiko obeliskų kopijavimą, kaip jie sąveikauja su bakterijomis ir grybais ir ar jie gali perduoti funkcinius signalus šeimininkų ląstelėms. Obeliskų gebėjimas „perduoti instrukcijas“ — tokia prasme, kad jų RNR gali būti perskaityta ląstelių mašinų — daro juos įdomiais kandidatais nagrinėti ekologiškai reikšmingas sąveikas, horizontalaus genų perdavimo mechanizmus ir potencialų poveikį žmogaus sveikatai per mikrobiomą.
Mokslininkų atsargumas taip pat susijęs su dabartinių duomenų interpretacijos ribotumais: metagenominiai duomenys leidžia identifikuoti sekàs ir korelacijų modelius, bet ne visada parodo funkcinius mechanizmus arba tiesioginį priežastinį ryšį. Todėl būtini papildomi in vitro ir in vivo eksperimentai — izoliacijos, replikacijos bei infektyvumo testai, taip pat struktūrinės analizės, kurios nustatytų, ar obeliskai gali patikimai transliuoti informacija į bakterinių ir grybinių šeimininkų transkripcinius bei transliacijos kelius. Atsižvelgiant į jų paplitimą, ši linija tyrimų gali turėti reikšmingų pasekmių, tiek fundamentaliai molekulinei biologijai, tiek taikomiems biomedicinos klausimams, pavyzdžiui, mikrobiomos modifikavimo strategijoms ar naujų diagnostikos priemonių kūrimui.
Kaip obeliskai palyginami su virusais ir viroidais
- Viroidai: minimalaus pobūdžio augalų patogenai, sudaryti iš plikos, apskritos RNR, kurios nekoduoja baltymų ir dažniausiai veikia per struktūrinius bei reguliacinius mechanizmus.
- Virusai: turi genomą ir baltyminį apvalkalą (kapsidę), dažnai koduoja kelis baltymus ir priklauso nuo šeimininko mechanizmų daugintis bei platintis; virusai gali turėti labai įvairią morfologiją ir genomo sudėtingumą.
- Obeliskai: cirkuliarios, viengrandės RNR be baltymo apvalkalo, tačiau turinčios genų panašių sekų; tai tarpinis agentas savo sudėtingumu, einantis tarp viroidų ir virusų, ir tai sukelia naujas sąvokines ribas tarp RNR pagrindu veikiančių biologinių elementų.
Tyrimų reikšmė ir tolesni žingsniai moksle
Mokslininkai dabar susiduria su sudėtingu uždaviniu: išsiaiškinti, ar obeliskai yra nepavojingi keleiviai, mikrobiologinio elgesio moduliatoriai ar agentai, galintys netiesiogiai paveikti žmogaus sveikatą per mikrobiomą. Ateities tyrimuose svarbiausi uždaviniai apims laboratorinę izoliaciją, replikacijos ir infektyvumo bandymus, šeimininko tipo diapazono tyrimus ir aukštos raiškos struktūrines analizės metodikas, tokias kaip sinchrotroninė rentgeno struktūrinė analizė, šaltojo elektrono mikroskopija (cryo-EM) ar branduolių magnetinio rezonanso (NMR) spektroskopija, kad būtų suprasta, kaip šios RNR formuoja stabilius strypo pavidalo elementus.
Be to, būtini funkciniai eksperimentai: transkriptominiai tyrimai, siekiant įvertinti, ar obeliskų sekos sąveikauja su bakterių arba grybų transkriptais; proteominiai analizės metodai, siekiant patikrinti, ar aptiktoje genų panašioje sekoje iš tiesų sintetinami baltymai; ir ko-kultivavimo eksperimentai, imituojantys natūralią mikrobiomos aplinką, kad būtų nustatytos gyvybinės sąveikos ir galimas poveikis mikrobiomos homeostazei.
Atranka ir charakterizacija taip pat atvers kelią bioinformatiniams tyrimams, pvz., filogenetinėms analizėms, kurios nurodys obeliskų kilmę ir evoliucinius ryšius su kitais RNR elementais, bei populiacijų genetikos studijoms, kurios galėtų parodyti, kaip šios sekos plinta tarp individų, populiacijų ar per aplinkos veiksnius. Šių duomenų kombinacija leis suformuluoti hipotezes apie obeliskų ekologinę rolę, jų poveikį mikrobiomos stabilumui ir galimas sąsajas su ligų rizika ar biologiniais fenotipais.
Atrakcija išplečia žinomą genetinę įvairovę žmogaus mikrobiome ir pabrėžia, kiek daug dar reikia sužinoti apie mikroskopinius genetinius elementus, kurie veikia mikrobinę ekosistemą. Ar obeliskai perrašys dalį virologijos ar mikrobiomos biologijos vadovėlių — dar neaišku — tačiau jų paplitimas ir naujumas garantuoja, kad jie bus intensyviai nagrinėjami artimiausiais metais. Šis atradimas taip pat skatina diskusijas apie naujus taksonominius kriterijus RNR elementams, etinius bei saugumo aspektus dirbant su naujai aprašomomis genetinėmis struktūromis ir galimybę pritaikyti žinias diagnostikoje, biotechnologijose ar net naujų terapinių strategijų kūrime, orientuotų į mikrobiomą ir jo modulaciją.
Šaltinis: popularmechanics
Palikite komentarą