Гигантские ДНК в ротовой микробиоте: что скрывает наш рот от глаз учёных

Человеческий организм по-прежнему таит в себе множество загадок, несмотря на достижения современной медицины. Одной из самых динамично развивающихся областей является изучение микробиома — совокупности микроорганизмов, населяющих наш организм. Особое внимание сейчас уделяется микробиому полости рта, который, как выясняется, гораздо сложнее и интереснее, чем считалось ранее. Недавнее исследование выявило новый класс гигантских внехромосомных элементов ДНК, получивших название иноклы. Эти структуры, по всей видимости, играют ключевую роль в адаптации бактерий к переменчивым условиям ротовой среды.

Что такое иноклы и почему они важны

Иноклы — это огромные фрагменты ДНК, находящиеся вне основного хромосомного набора бактерий. Они могут рассматриваться как своеобразные "дополнительные главы" в генетической книге микроорганизмов, несущие важную информацию для их выживания и адаптации. По размеру иноклы значительно превосходят известные плазмиды — другие внехромосомные элементы, которые обычно не превышают несколько десятков килобаз. Средний размер иноклов достигает 350 килобаз, что делает их одними из крупнейших генетических элементов в микробиоме человека.

"Средний размер генома Inocle составляет 350 килобаз, что является мерой длины генетических последовательностей, поэтому он является одним из крупнейших внехромосомных генетических элементов в микробиоме человека", — отметил Юя Кигучи, научный сотрудник проекта.

Иноклы содержат гены, отвечающие за устойчивость к окислительному стрессу, репарацию повреждений ДНК и формирование клеточной стенки. Эти функции позволяют бактериям выживать в агрессивной среде полости рта, где постоянно меняются условия и присутствуют различные внешние факторы.

Как проходило открытие

Исследователи из Токийского университета, возглавляемые Юей Кигучи, изучали образцы слюны, собранные в Лаборатории Ютаки Сузуки. Они использовали передовые методы секвенирования с длинными прочтениями, которые позволяют анализировать более длинные участки ДНК, чем традиционные технологии. Одним из ключевых достижений стала разработка метода preNuc, предложенного соавтором Нагисой Хамамото. Этот метод позволяет эффективно удалять человеческую ДНК из образцов слюны, что значительно повышает качество анализа бактериальной ДНК.

"Мы знаем, что в микробиоме полости рта обитает множество различных видов бактерий, но многие их функции и способы их реализации до сих пор неизвестны", — пояснил Юя Кигучи.

Благодаря этим инновациям исследователям удалось впервые собрать полные геномы иноклов и установить, что они принадлежат бактериям Streptococcus salivarius. Однако идентификация хозяина иноклов была достаточно сложной задачей, учитывая разнообразие микробов в полости рта.

Значение открытия для здоровья человека

Понимание роли иноклов может существенно продвинуть исследования микробиома и его влияния на здоровье полости рта. Иноклы, вероятно, помогают бактериям адаптироваться к стрессовым условиям, что может влиять на развитие кариеса, заболеваний дёсен и других патологий. Кроме того, есть предположения, что эти элементы могут служить маркерами серьёзных заболеваний, включая рак.

Команда планирует разработать стабильные методы культивирования бактерий с иноклами, чтобы изучить их функции и способы передачи между людьми. Для этого будут использоваться как лабораторные эксперименты, так и компьютерное моделирование, включая современные инструменты, такие как AlphaFold, для прогнозирования структуры и активности белков, кодируемых генами иноклов.

Советы шаг за шагом: как исследовать микробиом полости рта

1. Собирайте образцы слюны в стерильных условиях, чтобы избежать загрязнений.
2. Используйте методы удаления человеческой ДНК, например, preNuc, для повышения качества анализа бактериальной ДНК.
3. Применяйте технологии секвенирования с длинными прочтениями для выявления крупных внехромосомных элементов.
4. Анализируйте полученные данные с помощью современных биоинформатических инструментов для определения функций генов.
5. Сравнивайте результаты с известными базами данных, чтобы идентифицировать новые элементы и их возможных хозяев.

FAQ: ответы на популярные вопросы

Как выбрать метод анализа микробиома?

Для выявления крупных внехромосомных элементов рекомендуется использовать секвенирование с длинными прочтениями в сочетании с методами удаления человеческой ДНК.

Сколько стоит исследование микробиома полости рта?

Стоимость варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов в зависимости от глубины анализа и используемых технологий.

Что лучше для изучения функций генов — лабораторные эксперименты или компьютерное моделирование?

Оптимально сочетать оба подхода: эксперименты подтверждают гипотезы, а моделирование помогает прогнозировать функции и структуры белков.

Исторический контекст открытия иноклов

Изучение микробиома полости рта началось в середине XX века с классических микробиологических методов. С развитием молекулярных технологий исследователи смогли глубже понять состав и функции микробных сообществ. Однако только в последние годы с появлением технологий секвенирования с длинными прочтениями и методов очистки образцов от человеческой ДНК стало возможным обнаружить такие крупные внехромосомные элементы, как иноклы.

А что если иноклы окажутся ключом к лечению заболеваний?

Если дальнейшие исследования подтвердят связь иноклов с патологиями полости рта, это откроет новые пути для диагностики и терапии. Возможно, в будущем появятся препараты, направленные на модификацию или удаление иноклов, что поможет бороться с кариесом, гингивитом и даже более серьёзными заболеваниями. Кроме того, иноклы могут стать биомаркерами, позволяющими выявлять риски развития рака на ранних стадиях.

Заключение: три интересных факта об иноклах

• Иноклы — одни из крупнейших внехромосомных генетических элементов, обнаруженных в микробиоме человека.
• Они содержат гены, которые помогают бактериям выживать в условиях окислительного и другого стресса.
• По оценкам учёных, около 74% людей могут быть носителями иноклов, что говорит о широком распространении этих элементов.