Проведя детальный геномный анализ Hypsibius henanensis, недавно открытого вида тихоходок, исследователи обнаружили три ключевых молекулярных механизма, участвующих в их устойчивости к экстремальной радиации. Предполагается, что эти механизмы вызывают процессы защиты от свободных радикалов и ускоренного восстановления ДНК, что, вероятно, обусловливает их удивительную способность к эволюционной адаптации.
Тихоходки, также известные как водяные медведи, — это крошечные экдизозоаны (микроскопические беспозвоночные), насчитывающие почти 1500 видов и славящиеся своей устойчивостью к экстремальным условиям окружающей среды. Впервые обнаруженные в 1773 году, они могут жить до 60 лет в оптимальных условиях и до 30 лет без пищи и воды. Они выдерживают широкий диапазон температур, от -272°C до 150°C, и могут выживать в течение нескольких десятилетий при -20°C.
Благодаря этому их можно встретить в таких экстремальных и разнообразных средах, как Антарктида и Марианская впадина (где давление приближается к 1200 атмосферам). Эксперименты показали, что они также могут выживать в вакууме космоса и выдерживать ионизирующее гамма-излучение до 5 000 грей, что в 1000 раз превышает смертельную дозу для человека.
На протяжении десятилетий ученые пытались расшифровать биологические механизмы, лежащие в основе этой устойчивости к экстремальным условиям. Однако механизмы, отвечающие за устойчивость к радиации, остаются практически неизвестными. Исследователи из Университета Циндао (Китай) проливают новый свет на механизмы радиоустойчивости благодаря детальному молекулярному анализу H. henanensis, недавно открытого вида.
«Устойчивость к экстремальным условиям окружающей среды таких экстремофилов, как тихоходки, — это кладезь неизученных молекулярных механизмов стрессоустойчивости», — пишут авторы исследования, опубликованного в журнале Science.
Три ключевых молекулярных механизма Команда провела мультиомический анализ, чтобы определить молекулярные механизмы, вовлеченные в радиоустойчивость у H. henenesis. Мультиомика — это относительно недавняя дисциплина, которая включает в себя геномику (анализ всех генов), транскриптомику (анализ всех РНК) и протеомику (анализ всех белков). «Стратегия мультиомического анализа данных обладает огромным потенциалом для выяснения механизмов устойчивости тихоходок к экстремальным условиям окружающей среды», — объясняют исследователи.
Эти анализы позволили детально оценить изменения в молекулярном профиле животных после воздействия тяжелой ионной радиации. Исследователи обнаружили, что после облучения повышается уровень регуляции 285 генов, связанных со стрессом. Углубленный анализ выявил три молекулярных механизма, которые, по-видимому, напрямую связаны с радиоустойчивостью. Первый связан с бактериальным геном DOPA dioxygenase 1 (DODA1), активация которого, как предполагается, повышает радиоустойчивость за счет биосинтеза беталайна — пигмента с мощными антисвободнорадикальными свойствами, обычно встречающегося в растениях, некоторых грибах и бактериях.
Второй механизм, потенциально связанный с радиоустойчивостью у H. henensis, включает TRID1, белок, специфичный для тихоходок, который ускоряет восстановление ДНК в случае повреждения. Третья группа включает гены, не характерные для тихоходок и участвующие в энергетическом метаболизме митохондрий, в частности BCS1 и NDUFB8. Эти гены, по-видимому, появлялись постепенно в ходе эволюции тихоходок. Их экспрессия резко возрастает в ответ на воздействие радиации, которая вызывает регенерацию NAD+ (необходимого для функционирования митохондрий) и восстановление повреждений ДНК.
Хотя некоторые из этих процессов были изучены ранее, их исследование у H. henensis улучшает наше понимание выживания биологических клеток в экстремальных условиях. Это также может проложить путь к потенциальному применению в здравоохранении, например, для защиты космонавтов во время длительных космических полетов.
«Функциональные исследования этих механизмов радиоустойчивости еще больше расширят наше понимание выживания клеток в экстремальных условиях и могут вдохновить на укрепление здоровья человека и борьбу с болезнями», — считают эксперты. На следующем этапе исследования предстоит выяснить, присутствуют ли эти механизмы защиты от радиации у всех видов тихоходок.
Схема механизмов, обеспечивающих радиоустойчивость H. henanensis