Тихоходки — котики из мира беспозвоночных — снова удивляют. Учёным давно интересно, что делает их такими выносливыми и как именно тихоходки переносят экстремальные условия. Новое исследование указывает на свободные радикалы.
Тихоходки, они же водяные медведи, — одни из самых выносливых существ на свете. Эти микроскопические животные способны пережить экстремальные условия жары и холода — от кипящей воды до абсолютного нуля. Они выдерживают давление, в шесть раз превышающее давление в толще самых глубоких океанов. Они отлично себя чувствуют в радиации и даже в космическом вакууме. Всё ещё недостаточно круто? Тогда добавим, что тихоходки ещё и невероятно милые.
Так что же делает тихоходок такими живучими? Исследователи обнаружили биохимические триггеры, которые позволяют тихоходкам противостоять самым суровым условиям окружающей среды — и это может значительно помочь в развитии медицины.
Очаровательные экстремофилы
Тихоходок обнаружил в 1773 году немецкий зоолог Иоганн Август Эфраим Гезе и ласково называл их «маленькими водяными медведями». Три года спустя итальянский биолог Лаццаро Спалланцани придумал термин «Тардиграда», что означает «медленный шаг».
Восьминогих тихоходок отличает уникальная стратегия выживания, известная как криптобиоз. В ответ на экстремальный стресс со стороны окружающей среды тихоходки могут вытеснять более 95% воды из своего тела, втягивать конечности и входить в состояние анабиоза. За это время их метаболизм может упасть всего до 0,01% от нормального уровня. Эту замечательную адаптацию поддерживают водорастворимые белки, уникальные для тихоходок, которые образуют защитный кокон вокруг их клеток.
Исследователи во главе с Амандой Л. Смайтерс, научным сотрудником Института рака Дана-Фарбер и Гарвардской медицинской школы, были очень заинтригованы такими удивительными свойствами. Они хотели выяснить, что именно происходит внутри тихоходок, когда они сталкиваются с сильным стрессом и входят в состояние анабиоза, известное как «состояние бочонка».
Исследование завело учёных в кроличью нору со множеством неожиданных поворотов, которая в конечном итоге привела к неожиданному открытию — свободные радикалы.
Если коротко, то исследователи обнаружили, что когда тихоходки испытывают сильный стресс, их организм вырабатывает активные формы кислорода — нестабильные молекулы, которые могут повредить белки и ДНК. Нам эти молекулы известны, как «свободные радикалы». Когда свободные радикалы накапливаются, то могут вызвать окислительный стресс — дисбаланс между выработкой свободных радикалов и способностью организма детоксицировать их вредное воздействие или восстанавливать возникшие повреждения. Это повреждение может способствовать старению и различным заболеваниям, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера.
Хотя свободные радикалы играют важную роль в поддержании работоспособности нашего организма, репутация у них так себе. Однако у тихоходок активные формы кислорода подают сигнал аминокислоте цистеину окисляться, что, в свою очередь, побуждает животное войти в защитное состояние. Эта реакция на окислительный стресс похожа на сигнализацию. Она позволяет тихоходкам превращаться в высушенную, спящую форму, которая может противостоять экстремальной жаре, холоду и другим воздействиям окружающей среды.
А если сложно и подробно?
Механизмы выживания тихоходок до сих пор мало изучены. В то время как защитным средством во время покоя для некоторых криптобиотов является синтез трегалозы, многие виды тихоходок производят низкие или неопределяемые уровни дисахарида. У тихоходок также отсутствуют высококонсервативные сети для регуляции стресса, в том числе те, которые связывают гипоксию, генотоксический стресс и окислительный стресс с консервативной мишенью главного регулятора рапамицина (TOR). Вместо этого тихоходки полагаются на несколько организмоспецифичных белков, таких как белок-супрессор повреждений (Dsup), который связывается с ДНК ядра для защиты от ионизирующей радиации.
Кроме того, цитоплазматические, секретируемые и митохондриальные терморастворимые белки (CAHS, SAHS и MAHS), известные как неупорядоченные белки тихоходки (TDPs), имеют последовательности, не сохранившиеся в других филах, и необходимы для выживания тихоходки в условиях высыхания через ангидробиоз. Белки позднего эмбриогенеза (LEA) и белки теплового шока (HSP) широко распространены в клетках тихоходок, и многие из них активируются во время ангидробиоза, что указывает на важную роль в криптобиозе.
Отличительной чертой большинства тихоходок, подвергающихся криптобиозу, является их замечательная способность переходить в сморщенное анатомическое состояние, известное как бочонок. Они достигают этого, сжимая конечности, втягиваясь вдоль своей медиальной оси и в процессе уменьшая свои внутренние запасы воды.
Под воздействием благоприятных условий тихоходки быстро раздуваются и возвращаются к активному обмену веществ. Давно было понятно, что тихоходки облегчают эти анатомические переходы посредством активных процессов, однако механизм(ы), с помощью которых тихоходки распознают колебания окружающей среды и сигнализируют о переходах для входа и выхода из состояния бочонка, остается в значительной степени неисследованным.
Для выживания во время высыхания тихоходки полагаются на митохондриальную активность. Использование химических ингибиторов для разъединения митохондриальной цепи переноса электронов предотвращает образование состояния бочонка после воздействия ангидробиотических условий. Кроме того, АТФ-зависимое дифференциальное фосфорилирование регуляторной сети AMP-активируемой протеинкиназы (AMPK) после ангидробиоза показало, что активация протеинфосфатазы 2А необходима для успешной индукции состояния бочонка посредством ангидробиоза.
Митохондриальный транспорт электронов и регуляция AMPK, высококонсервативные в разных таксонах, вступают в перекрёстное взаимодействие с реактивными видами кислорода (ROS). Фактически, генерация митохондриальных ROS была напрямую связана с активацией AMPK в эмбриональных фибробластах мыши, что считается консервативным для всех таксонов. В сочетании с повышенным накоплением антиоксидантных ферментов и медиатора окислительно-восстановительного гомеостаза глутатиона после ангидробиоза, данные свидетельствуют о том, что окислительная сигнализация может играть ключевую регуляторную роль в инициировании формирования состояния бочонка.
Новые доказательства, подтверждающие, что обратимое окисление является важным регуляторным сигналом криптобиоза, продемонстрированы на модельном виде тихоходок Hypsibius exemplaris. Показано, что тихоходки реагируют на экзогенно применяемые ROS, образуя каналы дозозависимым образом. Канал ингибируется, когда тиолы цистеина необратимо блокируются. Флуоресцентное мечение, специфичное для тиолов, позволило получить изображение с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии, а количественное определение восстановленных тиолов было выполнено с помощью количественного флуоресцентного анализа. Быстрое воздействие восстановительных условий приводит к высвобождению и гибели бочонков, что указывает на то, что окисление и восстановление цистеиновых тиолов происходит через высокорегулируемые внутренние сети.
Кроме того, количественная спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) выявляет внутриклеточное высвобождение ROS после индукции стрессора, которое приводит к гибели, если блокируется экзогенно вводимыми антиоксидантами. Ингибирование белка 2 вольтаж-зависимого анионного канала приводит к возникновению туннелей, что позволяет предположить, что контроль ROS над этим ионным транспортером, вероятно, связан со стрессом у тихоходок. В совокупности эти данные подтверждают, что обратимая окислительная сигнализация является незаменимым регуляторным механизмом выживания тихоходок в неблагоприятной среде, и играет консервативную роль в различных криптобиозах.
В этом исследовании интересна не только сама стратегия выживания тихоходок, а далеко идущие последствия для развития технологий и медицины. Механизмы, которые помогают тихоходкам противостоять экстремальным условиям, в теории могут поспособствовать разработке защитных материалов, реагирующих на аналогичные нагрузки. Их можно будет использовать в современном противопожарном оборудовании или материалах для космических кораблей, способных самовосстанавливаться в суровых условиях космического пространства.
Также понимание того, как тихоходки справляются с окислительным стрессом, может открыть новые стратегии по разрушению защиты раковых клеток.
Далее исследователи планируют выяснить, насколько распространён этот механизм среди более чем 1300 различных видов тихоходок.
