Ученые из Токийского университета неожиданно открыли в слюне человека огромные внехромосомные ДНК-структуры. Ученые назвали их «иноклами». Эти гигантские генетические элементы находятся в бактериях, живущих в слюне. Наиболее вероятное назначение иноклов — защита самих бактерий от стресса, с которым они постоянно сталкиваются во рту человека. Как влияют иноклы на здоровье человека еще предстоит выяснить. Возможно, иноклы могут служить маркерами серьезных заболеваний, включая рак.
Открой рот и скажи «инокл».
«Иноклы» — это не случайный набор букв, а аббревиатура, которая много говорит ученым. Английское название «Inocles» расшифровывается как «Insertion sequence encoded; oral origin; circle genomic structure». «Insertion sequence encoded» — указывает на то, что эти структуры содержат вставочные последовательности, которые позволяют им встраиваться и перемещаться в бактериальном геноме. «Oral origin» — подчеркивает, что они были обнаружены именно в оральном микробиоме (во рту). «Circle genomic structure» — отражает их кольцевую структуру, характерную для плазмид и других экстрахромосомных элементов. Ну и звучит слово, как щелчок языком и сразу запоминается.
Никого, конечно, не удивляет, что во рту человека живут бактерии. Но вряд ли люди часто задумываются, насколько трудная жизнь у ротового микробиома. Назовем только некоторые проблемы, с которыми сталкиваются бактерии во рту. Во-первых, это кислотные атаки. Каждый раз, когда мы едим или пьем что-то сладкое, pH во рту резко падает — иногда до 4,5-5,0 (почти как у лимонного сока). Для большинства бактерий это смертельно кислая среда. А через час-полтора слюна нейтрализует кислоту, и pH возвращается к нормальному 6,8-7,4. И такие качели несколько раз в день. Во-вторых, это температурный шок — от ледяного мороженого до горячего чая. Бактериям приходится мгновенно перестраивать свой метаболизм. Есть еще много других проблем, например, кислородный парадокс — в разных участках рта кислорода то много (у губ), то почти нет (в глубоких десневых карманах).
В общем, не позавидуешь. И бактерии обзавелись хорошей страховкой, которую микробиологи и генетики до сих пор не замечали — это иноклы.
Исследователи обнаружили в бактериях ротового микробиома гигантские кольцевые фрагменты ДНК, о существовании которых никто не подозревал. Эти массивные структуры («иноклы») представляют собой экстрахромосомные ДНК-элементы, скрытые внутри бактерий Streptococcus salivarius.
В отличие от основной ДНК, которая плотно упакована в единственную кольцевую хромосому бактерии, экстрахромосомная ДНК существует отдельно от основного генетического материала. Подобные «бродячие» генетические фрагменты — плазмиды — ученые находили и раньше, но плазмиды меньше на порядок. Размеры обнаруженных иноклов составляют 350 тысяч пар оснований, что делает их одними из крупнейших экстрахромосомных элементов не только в ротовом микробиоме, но и во всем микробиоме человека. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Как ловили иноклы
Обнаружить иноклы исследователям удалось благодаря новой методике картирования ДНК в образцах человеческой слюны. Вместо анализа фрагментированных генетических данных ученые создали способ захвата длинных нитей ДНК.
Большая длина иноклов позволяет им хранить самые разные бактериальные гены, включая гены устойчивость к окислительному стрессу, восстановление повреждений ДНК и гены, связанные с ремонтом клеточной стенки. Вероятно, эти элементы участвуют в адаптации к внеклеточным стрессовым воздействиям, помогая бактериям выживать в постоянно меняющейся среде ротовой полости.
Анализ показал, что иноклы присутствуют у 74% всего человечества, что свидетельствует об их фундаментальной роли в оральном микробиоме. Несмотря на то что микробиом полости рта изучается давно, эти структуры оставались скрытыми из-за технологических ограничений традиционного секвенирования — длинные нити ДНК дробились при секвенировании и заметить иноклы не удавалось.
Ученые планируют продолжить исследования, чтобы точно определить функции этих огромных ДНК-блоков. Их работа может привести к пониманию того, как иноклы влияют на общее здоровье полости рта, и как они могут препятствовать или способствовать развитию кариеса и заболеваний десен. Более того, есть предположение, что иноклы могут служить маркерами серьезных заболеваний, включая рак.