Циркадные часы бактерий устроены сложнее, чем предполагалось

Под циркадными часами понимают сложные внутриклеточные молекулярные сети, изменения в которых подчиняются 24-часовому ритму. Циркадные часы есть не только у эукариот, но и прокариот, в частности, цианобактерий и некоторых нефотосинтезирующих бактерий. Однако циркадные системы у разных организмов могут существенно отличаться. Авторы новой работы, опубликованной в Science Advances, детально описали хронобиологию циркадных ритмов сенной палочки Bacillus subtilis.

В предыдущих исследованиях было выявлено наличие циркадных систем у лабораторного штамма 168 B. subtilis. Чтобы показать, что наличие циркадных ритмов свойственно B. subtilis в целом, ученые внедрили гены, отвечающие за чувствительность к синему свету в геном бактерий двух диких изолятов. Работу циркадной системы отслеживали по репортерной люциферазе, ген которой содержался в том же векторе. И в этом случае было показано, что клетки B. subtilis обладают светозависимыми циркадными ритмами.

Важнейшая характеристика циркадных ритмов — их привязка к временному интервалу. Помимо синего света, B. subtilis чувствительны к красному, и оба варианта активируют у бактерий клеточный стресс, хотя и при участии разных молекулярных механизмов. Авторы работы подвергали бактерий 24-часовому циклу освещения синим или красным светом, а в качестве ответа регистрировали биолюминесценцию клеток, экспрессировавших люциферазу. Оказалось, что пики биолюминесценции при освещении синим и красным светом различаются. Детальное изучение показало, что освещение B. subtilis синим светом снижает экспрессию чувствительного к нему белка — это детектировали по активности репортерной люциферазы и подтвердили на транскриптомном уровне. Красный свет такого воздействия не оказывал, что указывает на наличие иных механизмов регуляции в данном случае.

Чтобы оценить роль известных рецепторов красного и синего света B. subtilis в циркадных ритмах, ученые получили серию нокаутных штаммов. Оказалось, что, помимо известного рецептора синего света YtvA, у B. subtilis есть и другие, не описанные ранее синие фоторецепторы, которые дают маскирующий ответ при освещении клеток синим светом.

Авторы исследования также изучили параметр FRP (free-running period) — время, которое требуется эндогенным системам организма для того, чтобы вернуться в ту же фазу циркадного цикла в отсутствие внешних воздействий. Выяснилось, что этот показатель у B. subtilis систематически меняется в соответствии с режимом освещения. Исследователи приходят к выводу, что у B. subtilis, помимо самих циркадных ритмов, есть также способность адаптировать их к текущим условиям. Это, по-видимому, обеспечивается неким механизмом сохранения информации о предыдущих, в частности световых, воздействиях окружающей среды.

Ученые заключают, что даже такой простой прокариотический организм, как B. subtilis, обладает сложной системой поддержания циркадных ритмов и потому может стать моделью для изучения циркадных систем.