Природа не устает удивлять нас своими загадками. Ученые недавно обнаружили нечто, что может перевернуть наше представление о жизни внутри нас – новый класс РНК-элементов под названием "Обелиски", которые колонизировали человеческий микробиом и оставались незамеченными до сих пор.
Таинственные колонисты внутри нас
Казалось бы, что в 21 веке мы уже досконально изучили всё, что живет внутри и на поверхности человеческого тела. Но не тут-то было! Международная группа ученых под руководством Ивана Желудева и Эндрю Файра из Стэнфордского университета сделала удивительное открытие. Они обнаружили загадочные РНК-структуры, получившие название "Обелиски" (из-за их характерной стержнеобразной формы), которые обитают в микробиоме человека.
Чем же примечательны эти "Обелиски"? Они представляют собой круговые молекулы РНК длиной около 1000 нуклеотидов. На первый взгляд – ничего особенного, подумаешь, еще одна РНК. Но дьявол, как известно, кроется в деталях. Эти структуры не похожи ни на что из ранее известного науке. Они не являются ни вирусами, ни вироидами, ни плазмидами – это нечто совершенно новое и уникальное.
Как ученые раскрыли тайну "Обелисков"
Когда речь заходит о научных открытиях, частенько на помощь приходит его величество Случай. Но в этой истории всё было иначе. Ученые целенаправленно разработали биоинформатический инструмент под названием VNom (сокращение от "Viroid Nominator"), который искал в РНК-данных микробиома характеристики, свойственные вироидоподобным элементам.
В ходе анализа метатранскриптомных данных проекта по интегративному исследованию микробиома человека (iHMP) они наткнулись на нечто необычное. "Когда мы впервые увидели структуру Обелиска-альфа, мы были поражены – вспоминает один из авторов исследования, – она выглядела как тщательно организованная палочка с уникальными свойствами".
После первоначального открытия, ученые разработали методы для поиска сходных структур в глобальных базах данных секвенирования. И тут их ждал настоящий сюрприз – анализ 5,4 миллионов общедоступных наборов данных секвенирования выявил около 30 000 различных "Обелисков", присутствующих в примерно 220 000 наборов данных, представляющих разнообразные экосистемы не только человеческого организма, но и по всей планете. Вот это размах!
Строение и функции "Обелисков" - в чём их уникальность?
Давайте разберемся, что же такое эти "Обелиски" по своей сути. Это кольцевые молекулы РНК, которые обладают несколькими ключевыми характеристиками:
- Они имеют стержнеобразную вторичную структуру, охватывающую весь геном
- Содержат открытые рамки считывания, кодирующие новое семейство белков, названных "Облинами"
- Не имеют явного сходства по последовательности или структуре с известными биологическими агентами
- Некоторые из них кодируют особые варианты самоотщепляющихся рибозимов типа "молоткоголовых"
Особый интерес представляют кодируемые ими белки — "Облины". Первый из них, Облин-1, по прогнозам формирует особую глобулярную структуру со специфическим доменом, богатым положительно заряженными аминокислотами. А второй, Облин-2, по-видимому, образует спиральную структуру "лейциновой застежки", которая может участвовать в олигомеризации белка.
Такие структурные особенности наводят на мысль, что Облин-1 может взаимодействовать с РНК, а Облин-2 — регулировать процессы в клетке-хозяине. Но, как говорится, поживем — увидим. Наука только начинает разбираться в функциях этих загадочных элементов.
Распространение "Обелисков" - они повсюду!
Если вы думаете, что "Обелиски" — это какая-то экзотическая редкость, то спешу вас разочаровать (или обрадовать, в зависимости от точки зрения). Эти элементы обнаружены буквально по всему земному шару — на всех семи континентах и в самых разных экологических нишах.
Но самое интересное для нас, людей, это их присутствие в человеческом микробиоме. Исследования показали, что "Обелиски" обнаруживаются примерно у 7% людей в образцах стула и у более чем 50% в образцах из ротовой полости. И, похоже, они способны к длительному сожительству с нами — в одном случае было зафиксировано их постоянное присутствие у человека на протяжении более 300 дней.
Интересно, что составы "Обелисков" различаются между анатомическими участками. То есть, в кишечнике обитают одни типы "Обелисков", а во рту — совсем другие. Это намекает на их специализацию и адаптацию к конкретным микроэкологическим условиям.
Особенно любопытен факт, что ученым удалось идентифицировать одну бактерию — Streptococcus sanguinis (стрептококк кровяной) — в качестве конкретного хозяина для одного из типов "Обелисков". Эта бактерия является комменсалом здорового микробиома полости рта человека, но также может быть причиной бактериального эндокардита. Такое открытие дает нам модельную систему для изучения взаимодействия "Обелисков" с их хозяевами.
Живые ли "Обелиски"? Философский вопрос
Ну хорошо, эти "Обелиски" существуют в нас и вокруг нас. Но можно ли считать их формой жизни? Вот где начинается настоящая головоломка!
Если мы вспомним школьные уроки биологии, то основные признаки живого включают питание, дыхание, рост, размножение, раздражимость, движение и развитие. "Обелиски" явно не удовлетворяют всем этим критериям в традиционном понимании. Они не питаются, не дышат, не двигаются самостоятельно.
Однако они определенно размножаются (иначе как бы они распространились так широко?) и эволюционируют (о чем свидетельствует их разнообразие). Они содержат генетический материал и кодируют белки. По сути, они представляют собой самовоспроизводящиеся информационные системы — что во многих определениях является ключевой характеристикой жизни.
Вироиды, которые являются простыми инфекционными агентами, состоящими только из РНК без белковой оболочки, уже давно вызывают дискуссии о границах между живым и неживым. "Обелиски" добавляют еще один слой сложности к этому философскому вопросу.
Возможно, вместо жесткого разделения на "живое" и "неживое", нам стоит рассматривать градиент сложности, где "Обелиски" занимают своё особое место где-то между неживыми молекулами и полноценными организмами. Они как те ребята, что зависли между небом и землей — ни то, ни сё, но от этого не менее интересные!
Отношения с хозяевами - паразиты или симбионты?
Еще один захватывающий вопрос — как "Обелиски" взаимодействуют со своими хозяевами? Являются ли они паразитами, которые используют ресурсы хозяина исключительно для собственного размножения? Или они симбионты, которые каким-то образом приносят пользу своим хозяевам?
На данный момент у нас нет однозначного ответа. Чтобы быть паразитом в классическом понимании, "Обелиски" должны наносить вред своему хозяину. Однако пока не обнаружено явных доказательств того, что они оказывают негативное влияние на бактерии, в которых обитают.
С другой стороны, чтобы считаться симбионтами, они должны приносить какую-то пользу. И здесь тоже пока сплошные вопросы. Возможно, белки, кодируемые "Обелисками", выполняют какие-то функции, полезные для бактерий-хозяев. Может быть, они помогают им адаптироваться к определенным условиям или защищаться от других инфекционных агентов.
Особенно интригует обнаружение "Обелисков" в Streptococcus sanguinis. Некоторые штаммы этой бактерии содержат "Обелиски", а другие — нет. Это открывает возможность для сравнительных исследований, которые могли бы пролить свет на влияние "Обелисков" на своих хозяев.
По аналогии с компьютерным миром, "Обелиски" могут быть как вредоносными программами, которые занимают ресурсы системы, так и полезными утилитами, расширяющими функциональность. А может, они просто нейтральные пассажиры, которые ездят на бактериях как зайцы в метро — без билета, но и без особого вреда для перевозчика.
Влияние на здоровье человека - стоит ли беспокоиться?
Когда мы узнаём о существовании новых биологических элементов в нашем организме, первая реакция часто: "А не опасно ли это?" И это вполне понятное беспокойство. Но в случае с "Обелисками" ситуация не так проста.
Во-первых, эти элементы обнаружены как у здоровых людей, так и у людей с различными заболеваниями, включая воспалительные заболевания кишечника. Однако прямой связи между наличием конкретных "Обелисков" и определенными заболеваниями пока не установлено.
Во-вторых, "Обелиски" обитают не непосредственно в наших клетках, а в бактериях, составляющих наш микробиом. Это значит, что их влияние на нас, скорее всего, опосредовано через изменение жизнедеятельности этих бактерий.
Интересно, что распространенность "Обелисков" в ротовой полости (более 50% людей) значительно выше, чем в кишечнике (около 7%). Это может указывать на особую роль этих элементов в микробиоме рта. Учитывая, что полость рта является первым барьером на пути пищи и патогенов, возможно, "Обелиски" каким-то образом участвуют в защитных механизмах.
С другой стороны, тот факт, что "Обелиски" обнаружены в Streptococcus sanguinis — бактерии, которая может вызывать эндокардит, заставляет задуматься о возможной роли этих элементов в вирулентности. Могут ли "Обелиски" влиять на патогенность бактерий, делая их более агрессивными или, наоборот, более мирными?
В любом случае, прежде чем паниковать, стоит дождаться результатов дальнейших исследований. Как говорится, не каждый микроб — враг, и не каждый друг — микроб.
Будущие исследования - что дальше?
Открытие "Обелисков" — это только начало увлекательного научного путешествия. Перед учеными стоит множество вопросов, на которые еще предстоит найти ответы.
Одно из направлений исследований — детальное изучение механизмов репликации "Обелисков". Некоторые из них содержат специфические рибозимы, которые могут участвовать в процессе самокопирования по механизму катящегося кольца, подобно вироидам. Но подтверждение этой гипотезы требует экспериментальных доказательств.
Другое важное направление — выяснение функций белков, кодируемых "Обелисками". Что делают Облин-1 и Облин-2 в клетках-хозяевах? Взаимодействуют ли они с клеточными белками? Могут ли они влиять на экспрессию генов бактерий?
Не менее интересен вопрос эволюции "Обелисков". Как они возникли? Являются ли они древними элементами, существовавшими до появления клеточной жизни, или они эволюционировали от более сложных предшественников путем упрощения?
И конечно, нас всех волнует вопрос о влиянии "Обелисков" на здоровье человека. Существуют ли корреляции между определенными типами "Обелисков" и заболеваниями? Могут ли они быть использованы как диагностические маркеры или даже терапевтические мишени?
В общем, работы непочатый край, и, как это часто бывает в науке, каждый ответ порождает десяток новых вопросов. Но именно в этом и заключается красота научного поиска!
Заключение - переосмысление жизни внутри нас
Открытие "Обелисков" — это еще одно напоминание о том, насколько сложна и многогранна жизнь даже на молекулярном уровне. Мы привыкли делить биологический мир на вирусы, бактерии, архей и эукариот, но природа, как всегда, оказывается богаче наших классификаций.
"Обелиски" находятся на грани между живым и неживым, между самостоятельными организмами и генетическими элементами. Они представляют собой уникальную форму биологической организации, которая заставляет нас пересмотреть наши представления о жизни.
Возможно, вместо вопроса "Являются ли Обелиски новой формой жизни?" стоит спросить: "Как Обелиски расширяют наше понимание многообразия жизни?" В конце концов, граница между живым и неживым гораздо более размыта, чем нам хотелось бы думать.
И хотя пока рано говорить о практическом применении этого открытия, кто знает, может быть, изучение "Обелисков" приведет к новым биотехнологическим инструментам или даже лекарствам. Ведь история науки полна примеров, когда фундаментальные открытия через годы или десятилетия находили неожиданные практические применения.
А пока мы можем лишь удивляться тому, что внутри нас существует целый мир, о котором мы почти ничего не знаем. И "Обелиски" — это лишь вершина айсберга, приоткрывающая завесу над этим удивительным миром.