Молекулярни телохранители на плодовитостта Макс Планк общество

Хранителен стерилитет

Изследователската група на Кристиан Екман от Института за молекулярна клетъчна биология и генетика в Дрезден Макс Планк наскоро описа генетична програма при нематоди C. elegans, което компенсира качествените колебания в диетата и по този начин защитава репродуктивната способност на животните [1]. Генетичното проучване разкри също така нов необратим стерилитет, предизвикан от диета, който засяга само репродуктивните клетки. Този стерилитет става видим от една страна чрез унищожаване на зародишните линии на стволови клетки, а от друга страна при дефекти в диференциацията на женските репродуктивни клетки (Фиг. 1).

Генетичните доказателства за влиянието на диетата върху онтогенията на животните нарастват. Това влияние е свързано с различни метаболитни продукти, които възникват в червата. В допълнение към чревните клетки, чревните микроби също оказват влияние върху метаболизма и са в състояние да произвеждат различни метаболитни продукти, които могат да повлияят отрицателно или положително на гостоприемника. В комбинация с диетата чревните микроби могат да повлияят на огромен брой процеси в многоклетъчните клетки. Все още обаче не е известно как диетата и микробите влияят върху репродуктивната способност на животните.

Всички изследователски лаборатории по света използват като единен източник на храна за C. elegans специфично Д.. коли-Бактериален щам (OP50). Изненадващо, изследователската група установи, че точно това Д..коли-Щам при липса на генетична активност на ядрения рецептор неr-114 Причинява стерилност. Различни щамове бактерии, включително чужди Е. coli-Тип, но не предизвиква стерилитет (Фиг. 1). В търсенето си на отрицателното свойство на бактерията OP50, изследователите установяват, че тя вероятно е метаболитен продукт, който се образува в отговор на култивирането в стандартна среда. Защото отглеждането на „вредното Е. coli-Бактериален щам ”в среда, обогатена изключително с аминокиселината триптофан, потиска отрицателното влияние върху размножаването на нематода. Изследването предполага, че активността на ядрения рецептор неr-11.4-ти създаден за защита на зародишните клетки от токсичните ефекти на лошото качество на храната или някои метаболитни продукти.

Размножава се и се храни в естествена среда C. elegans на гнилостна храна, която сама по себе си има разнообразен микробиологичен състав. Тази микробиологична сложност води до заключението, че нематодата се причинява от активността на ядрения рецептор неr-11.4-ти Предлага се широка гама от храни, без риск от застрашаване на продължаващото съществуване на населението чрез едновременно поглъщане на лоши хранителни компоненти.

Фиг. 1: Свързани с диетата ефекти върху развитието на зародишна тъкан на възрастни. Нематодата C. elegans е хранена с различни видове бактерии от Е. coli. Прекъснатата линия показва една от двете съществуващи тъкани на зародишната линия. В затворения край (отбелязан със звездичка) зародишните линии се размножават. Диференциращите се репродуктивни клетки (сперматозоиди и ооцити) са разположени в отворения им край. В зависимост от наличността на храна и отсъствието на функциониращ ядрен рецептор nhr-114 (-), зародишната тъкан не развива диференцирани яйцеклетки и зародишните клетки развиват тежки клетъчни дефекти. В крайна сметка разделянето на зародишните стволови клетки спира и зародишната тъкан в възрастния организъм значително намалява. Скала: 50 μm.

Фиг. 1: Свързани с диетата ефекти върху развитието на зародишна тъкан на възрастни. Нематодата C. elegans е хранена с различни видове бактерии от Е. coli. Прекъснатата линия показва една от двете съществуващи тъкани на зародишната линия. В затворения край (отбелязан със звездичка) зародишните линии се размножават. Диференциращите се репродуктивни клетки (сперматозоиди и ооцити) са в отворения си край. В зависимост от снабдяването с храна и отсъствието на функциониращ ядрен рецептор nhr-114 (-), зародишната тъкан не развива диференцирани яйцеклетки и зародишните стволови клетки развиват тежки клетъчни дефекти. В крайна сметка разделянето на зародишните стволови клетки спира и зародишната тъкан в възрастния организъм значително намалява. Скала: 50 μm.

Развитие и функция на зародишната тъкан в организма

Зародишните клетки са от основно значение за възпроизводството на животните, тъй като само те са се специализирали в предаването на геномна информация на следващото поколение. При повечето животни и хора зародишните клетки се развиват в ембрионален стадий. В юношеския етап те се развиват в зародишна тъкан чрез клетъчно делене, при което някои зародишни клетки се трансформират в репродуктивни клетки чрез процеса на гаметогенеза. Едва в стадий на възрастни репродуктивната тъкан намира равновесие и организмът е готов за размножаване чрез производството на яйцеклетки (ооцити) и сперматозоиди. Генетични проучвания с моделни организми показаха, че хранителният статус на животното силно влияе на този баланс.

С плодовата муха Drosophila melanogaster z. Б. стволовите клетки на зародишната линия се размножават много добре с достатъчно количество храна, докато тяхното размножаване се оказва много по-лошо, когато има по-малко количество храна и зародишната тъкан намалява по размер. В нематода C. elegans може да се определи подобна динамична връзка, която се контролира чрез невронни сигнални пътища. Наблюденията върху тези организми на безгръбначни животни корелират с дългосрочни проучвания при възрастни хора, според които богата на хранителни вещества и разнообразна диета може да увеличи плодовитостта на жените.

Докато физическите дефекти могат да имат отрицателно въздействие върху здравето на индивида, дефектите в зародишните клетки имат потенциала да попречат на цялостната им репродуктивна годност. Това е особено проблематично, когато са засегнати зародишните клетки. Защото, въпреки че са ембрионални, репродуктивните клетки се развиват само от зародишни стволови клетки в тялото на възрастни. Следователно, зародишната тъкан изпълнява своята биологична функция относително късно в живота на организма. В този късен момент от време обаче цялото тяло, включително зародишните клетки и незрелите зародишни клетки, вече е било изложено на различни влияния на околната среда и хранителните вещества. Следователно може да се предположи, че са създадени генетични програми, които могат да предпазят зародишните клетки от необратими увреждания от хранителни влияния.

Ядрени хормонални рецептори като молекулярни протектори

Еволюция на генетичните програми

Организмите се развиват и живеят в най-различни среди. Животните, които могат да ядат разнообразна храна, имат предимство пред популациите, които могат да толерират храна само в ограничена степен. Генетичните програми, които подпомагат метаболизма на различни храни, улесняват населяването на нови територии. Балансираното хранене и оптимално функциониращите зародишни клетки са двата основни фактора, отговорни за успешното размножаване и оцеляването на следващото поколение. Тъй като плодовитостта и възпроизводството са тясно свързани с наличието на храна, генетичните реакции трябва да са се развили по такъв начин, че да координират баланса между броя на зародишните клетки и богатството и качеството на хранителните запаси (Фиг. 2). И все пак е необходимо по-добро молекулярно разбиране за това как храненето е свързано с репродуктивните стволови клетки. Тази тема е особено важна на фона на съвременните човешки хранителни навици.

Фиг. 2: Различните условия на околната среда (стрелки) влияят върху състава на храната, който се метаболизира допълнително от микробите. Ядрените рецептори в червата контролират генетична програма, която предпазва зародишните клетки от отрицателни метаболити. Това може да увеличи плодовитостта и популацията от животни може да се разпространява и възпроизвежда ефективно в голямо разнообразие от местообитания.

Резултатите от изследването на Xicotencatl Gracida и Christian Eckmann създават основата за разбиране на хранителните влияния върху развитието на зародишните клетки. Резултатите показват, че зародишните стволови клетки са изключително чувствителни към метаболитни продукти. Влиянието на диетата се играе върху нивото на клетъчната и генетична цялост и върху правилното изпълнение на клетъчното делене и диференциация. Тези резултати по отношение на качеството на храната са в контраст с по-рано приетите хранително-физиологични ефекти на количеството храна върху възпроизводството на зародишни стволови клетки. В допълнение, наблюдението, че метаболизмът на бактериите, използвани като храна, също влияе върху репродуктивната тъкан на животните, повдига важни въпроси: Оказват ли влияние човешките чревни микроби върху плодовитостта и подобни генетични програми защитават стволовите клетки на зародишната линия на бозайници?