Летучее соединение может изменять экспрессию генов в клетках

Люди постоянно сталкиваются с летучими веществами. Их вырабатывают бактерии микробиома, чьи метаболиты могут влиять в том числе на иммунитет хозяина. Летучие вещества также получаются при переваривании пищи или при контакте с ферментированными продуктами. Однако влияние таких соединений до сих пор оставалось не до конца известным. Моделью для исследования этой темы могут стать дрозофилы. Ранее уже проводились эксперименты, в которых мушек подвергали воздействию CO₂, в результате чего в обонятельных долях дрозофил повышалось число чувствительных к CO₂ гломерул, что приводило, в свою очередь, к изменению поведения мушек. Американские исследователи продолжили изучать влияние летучих веществ на животных, взяв в качестве примера диацетил. Это соединение вырабатывается в больших количествах дрожжами, ферментирующими фрукты, а также содержится в различных продуктах питания: в масле, йогурте, вине, пиве и т. д.

Ученые выбрали диацетил для экспериментов из-за того, что дрозофилы часто питаются бродящими фруктами или откладывают в них яйца. Кроме того, диацетил ингибирует рецепторы CO₂, поэтому они ожидали увидеть результаты, противоположные полученным в предыдущем исследовании.

Для начала ученые подвергали мушек воздействию диацетила в течение пяти дней. При этом нейроны ab1C, чувствительные к CO₂, пометили зеленым флуоресцентным белком (GFP), используя промоторы рецепторов CO₂. Через пять дней контакта с диацетилом у мушек значительно снизилась флуоресценция в нейронах ab1C и в обонятельных долях, куда они проецируют. После того, как тех же мушек еще пять дней содержали в емкости с чистым воздухом, флуоресценция восстановилась. Так как у мушек обонятельные нейроны не склонны к восстановлению, ученые предположили, что причина наблюдаемого явления — в изменении экспрессии генов.

Диацетил структурно родственен β-гидроксибутирату и бутирату натрия, которые ингибируют деацетилазы гистонов (HDAC). Чтобы проверить, обладает ли диацетил такими же свойствами, ученые провели in vitro эксперименты с очищенными рекомбинантными HDAC. В этих опытах диацетил действительно ингибировал все проверенные гистондеацетилазы — HDAC1, 2, 3, 8 и 6, причем его эффективность была сравнима с β-гидроксибутиратом. Далее ученые провели эксперимент на клеточной линии человека HEK293T. Клетки подвергали воздействию различных концентраций диацетила в течение 2–6 ч и следили за уровнем ацетилирования гистонов. В результате ученые выявили, что диацетил повышал уровень ацетилирования только H3K9 уже на второй час; со временем ацетилирование росло еще больше. Ацетилирование H3K9 в клетках повышалось даже при воздействии низких доз диацетила (100 мкМ) в течение 5 дней, что указывает, что даже малого количества летучих соединений достаточно, чтобы вызвать эпигенетические изменения в клетках.

Чтобы подтвердить, что диацетил может быть причиной эпигенетического изменения и у живых организмов, ученые воздействовали им на плодовых мушек и мышей в течение пяти дней, а затем сравнивали транскриптомы антенн мушек и дыхательных путей и легких мышей. После воздействия диацетила и у мушек, и у мышей изменялась экспрессия генов, причем у некоторых генов она повышалась, а у других — понижалась. Наиболее интересным ученым показалось снижение экспрессии ACE2 — мышиного ортолога рецептора, который вирус SARS-CoV-2 использует для проникновения в клетки. Такие данные указывают на то, что на экспрессию этого рецептора могут влиять эпигенетические изменения, вызванные летучими веществами.

В то же время ученые отметили, что влияние диацетила обратимо. Если мушек выдерживали в емкости с чистым воздухом в течение пяти дней после воздействия диацетила, то экспрессия генов, повышавшаяся из-за этого соединения, падала, возвращаясь в норму.

Свойства диацетила как эпигенетического регулятора заинтересовали ученых из-за того, что многие лекарственные препараты также являются ингибиторами HDAC. Так, они исследуются для лечения рака и нейродегенеративных заболеваний. В экспериментах на мышах ученые подтвердили, что диацетил может изменять экспрессию генов в мозге. Из-за малого размера и летучести он способен диффундировать через гематоэнцефалический барьер.

Далее ученые оценили возможность применения диацетила для лечения заболеваний. Они отметили, что в экспериментах на мышах диацетил понижал экспрессию гена MYCN, которая обычно повышена в ряде видов рака, особенно в нейробластоме. Исследователи воздействовали на клеточную линию нейробластомы SH-SY5Y диацетилом и обнаружили цитотоксический эффект. Причем дополнительные эксперименты показали, что эффект специфичен для нейробластомы, так как диацетил не оказал значимого влияния на клетки меланомы и аденокарциномы легких.

Влияние диацетила также оценили на модели болезни Гентингтона на мушках. В ней человеческий хантингтин с удлиненными полиглутаминовыми повторами экспрессируется в нейронах глаз дрозофил, приводя к прогрессивной дегенерации фоторецепторов в них. Предыдущие исследования показывали, что ингибиторы HDAC могут предотвращать их дегенерацию. В экспериментах после воздействия 1% диацетила на таких мушек дегенерация сокращалась вполовину. Если у контрольной группы мушек среднее число рабдомов (светочувствительных элементов) в каждой единице фасеточного глаза за 10 дней сокращалось с 7 до 1, то у экспериментальной группы, на которую воздействовали диацетилом, оставалось в среднем 2–3 рабдома. Следовательно, диацетил действительно смог замедлить нейродегенерацию у мушек.

Таким образом, диацетил способен вызывать эпигенетические изменения в различных органах животных — например, в легких и в мозге. Эти свойства могут быть использованы для профилактики и лечения различных заболеваний, включая онкологические и нейродегенеративные. Однако результаты исследования также поднимают вопрос, как на организм влияют другие летучие соединения, вырабатываемые микробиомом и встречающиеся в окружающей среде.

Экспрессию терапевтических трансгенов можно индуцировать при помощи запаха