Тетрахимена термофила (Tetrahymena thermophila) как модельный объект - Студенческий научный форум

XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Тетрахимена термофила (Tetrahymena thermophila) как модельный объект

Соколова А.В. 1, Васина П.И. 1, Насакина А.Э. 1, Черникова Е.А. 1
1Волгоградский государственный медицинский университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Тетрахимена термофила- вид свободноживущих инфузорий [1]. Они обитают на дне пресноводных водоемов. Большинство видов рода тетрахимен являются микрофагами, питающихся бактериями, но также существуют хищные виды, которые питаются другими инфузориями.

Тетрахимена термофила относится к:

Царству: Эукариоты

Надтипу: Альвеоляты

Типу: Инфузории

Подтипу: Intramacronucleata

Классу: Oligohymenophorea

Отряду: Tetrahymenida

Семейству: Tetrahymenidae

Роду: Тетрахимены

Виду: Tetrahymena thermophila

Особенности внешнего строения Т. термофилы

Тетрахимена имеет на своей поверхности тысячи локомоторных и оральных ресничек. Локомоторные реснички располагаются примерно в 20 продольных рядов и движутся метахорно. Оральные реснички находятся в мембране и «загребают» частички пищи в ротовую полость. Также, инфузория обладает сложно устроенной структурой цитоскелета внутри, что позволяет использовать ее в качестве модельного объекта при изучении систем цитоскелета [2].

В толще воды тетрахимена термофила плавает по сложной траектории: она вращает свое тело и переключается между прямой и обратной подвижностью. Также, клетки имеют хемотаксис в ответ на химические градиенты концентраций веществ.

Исследование 2016 года показало, что тетрахимена способна «узнавать» форму и размер пространства, в котором плавает. Обнаружили, что клетки, которые находились некоторое время в капле воды, после их перемещения повторяли те траектории плавания, к которым они «привыкли» в капле. Продолжительность такого поведения отражало время, необходимое для адаптации к новым условиям [3].

Геном и размножение Т. термофилы

Тетрахимена термофила, как и все инфузории, обладает двумя ядрами: большим, соматическим (макронуклеус), и малым, половым (микронуклеус). Они находятся в клетке инфузорий одновременно. Большое ядро участвует в синтезе белков, малое же ядро выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации и в обычном состоянии не используется клеткой.

Геном тетрахимены содержит 105 миллионов пар оснований (у человека в 30 раз больше) и имеет более 27 тысяч генов, которые кодируют различные белки (на ровне с геномом человека) [4].

Данный вид инфузорий размножается как простым делением, так и половым (конъюгация). Бесполое размножение происходит тогда, когда в окружающей среде много питательных веществ для роста клетки, в следствии оба ядра делятся и образуются две клетки с одинаковым набором хромосом. К половому размножению клетки переходят при голодании как минимум в течение 2 часов, тогда макронуклеус разрушается, а в обмене наследственным материалом принимают участие только микронклеусы. После полового процесса, новый микронуклеус снова делится, и одна половина растет, образуя макронуклеус. Этот процесс длится около 12 часов и сопровождается не только многочисленным дублированием, но и разрывами длинных хромосом на мелкие, из которых часть либо удаляется, либо меняется местами [5].

Тетрахимена содержит в своей рибосомной РНК интрон, который способен проводить сплайсинг (вырезание интронов) самостоятельно, без помощи других биомолекул. Такой рибосомальный интрон прозвали самосплайсинговым и в дальнейшем был обнаружен у других инфузорий, митохондриальных генах и некоторых вирусах. Данное открытие показало, что молекула РНК может выполнять функцию фермента, и они были названы рибозами.

У этого вида существует 7 полов, каждый обозначается римскими цифрами от I до VII. За развитие одного из семи полов отвечает ген mat, который имеет 14 аллелей. Они делятся на две группы, A и B: к первой группе (А) относятся все полы, кроме IV и VII, к второй группе (B) — все, кроме I. Любой пол может скрещиваться с другими, исключая свой собственный. Данная особенность влияет на устойчивость популяции к резким изменениям окружающей среды [3].

Ремонт ДНК

Как уже было сказано, половое размножение вызывается неблагоприятными условиями, которые часто вызывают повреждение ДНК. Главным признаком мейоза является гомологичная рекомбинация между несестринскими хромосомами. Данный механизм способствует восстановлению повреждений ДНК.

Среди простейших распространено, что половой цикл вызывается стрессовыми условиями, такими как голод. Такие условия часто вызывают повреждение ДНК. Центральным признаком мейоза является гомологичная рекомбинация между несестринскими хромосомами. В T. thermophila этот процесс мейотической рекомбинации может быть полезен для восстановления повреждений ДНК, вызванных голоданием.

Контакт T. thermophila с ультрафиолетовым светом привел к более чем 100-кратному увеличению экспрессия гена Rad51, который ответственнен за репарацию двухцепочечных разрывов ДНК [6]. Воздействие алкилирующим ДНК агентом метилметансульфонатом также приводила к значительному повышению уровней белка Rad51. Эти данные позволяют предположить, что инфузории, такие как T. thermophila использовать Rad51-зависимый путь рекомбинации для восстановления поврежденной ДНК. Также существует гомолог Rad51 рекомбиназы- RecA рекомбиназа у кишечной палочки.

Биоиндикация с помощью Т. термофилы

Способоность быстрого роста и обмена веществ являются большими преимуществами тетрахинемы по сравнению с другими простейшими. Благодаря быстрой смене поколений, которая происходит 4-6 раз в сутки является возможным использование тетрахинемы в определении действия токсинов на генетический аппарат клетки. Также возможно определение ценности пищевых компонентов благодаря схожести обменных процессов с высшими животными.

Было проведено исследование воздействия на тетрахинему фунгицидов, которое показало изменение активности клеток при добавлении в питательную среду ряда тяжелых металлов: железа, меди, цинка. Благодаря этому и способности инфузории к регенерации ДНК исследовали эффект при загрязнении питательной среды фармацевтическими препаратами (нестероидными противовоспалительными препаратами, антибиотиками, β-блокаторами) [7].

К сожалению, в настоящее время иностранные ученые используют тетрахинему термофилию только в биоиндикации сред, но российские ученые вкладывают много сил для развития направления оценки качества пищевых продуктов. Например, белорусские ученые определили безвредность растительного сырья и пищевых экстрактов на растительной основе, биологически активных добавок (БАД) в пище. Также проведены исследования по установлению биологической ценности мясного и зернового сырья. В попытке улучшить данную ситуацию учеными Научного центра психического здоровья РАН, Института молекулярной генетики РАН и Института фармакологии им. В.В. Закусова проведены совместные эксперименты по определению защитного действия гексапептида HLDF-6-амида на клетки инфузорий Tetrahymena и его способности активизирования пролиферации организмов. Установленные проявляемые пептидом эффекты, связаны с его способностью профилактики и лечения цереброваскулярных и нейродегенеративных человеческих заболеваний.

Питательные среды для Т.термофилы

Инфузории вида тетрахинема термофила способны поглощать пищу двумя путями: фагоцитозом взвешенных веществ в окружающей среде и активным транспортом питательных веществ в растворе.

В лабораторных условиях, вода с добавлением протеозного пептона и дрожжевого или печеночного экстракта позволяет поддерживать рост и развитие клеток, благодаря чему они стали первыми одноклеточными эукариотами, которых вырастили без других организмов, те аксенически [8].

При приготовлении питательных сред используют дистиллированную воду высокой очистки, специальную стеклянную посуду, тк тетрахинема термофила чувствительна к примесям.

Для приготовления сред следует использовать и дистиллированную воду высокой чистоты, а также специальную стеклянную посуду, поскольку клетки Tetruhyrnena чувствительны к примесям в воде и остаткам мыла на стеклянной посуде. Поэтому посуду следует ополаскивать вручную.

Протеозопептон (PP), пептический гидролизат экстракта говядины, был традиционной основой для богатых аксеновых сред для выращивания клеток тетрахинемы. Идеальной аксеновой средой общего назначения является среда SSP. Она состоит из 2% полипропилена, 0,1% дрожжевого экстракта, 0,2% глюкозы и 0,003% Fe-EDTA. В данных условиях клетки растут со временем удвоения 2,5 ч при 30°С и при встряхивании могут достигать концентраций не менее 106 клеток/мл. При 35°C достигается минимальное время удвоения (чуть менее 2 часов).

Для приготовления самой среды все составляющие растворяют в малой части воды от конечного объема. Нерастворенные частицы, которые зачастую мешают при электронном подсчете клеток, удаляют центрифугированием при 7000 g в течение 30 мин или фильтрованием через фильтровальную бумагу. Концентрированную среду хранят в замороженном виде при -20°С, а при использовании размораживают и разбавляют до необходимой концентрации и стерилизуют автоклавированием. Стерильная среда сохраняется в темноте в течение нескольких месяцев при комнатной температуре.

«Модифицированная среда Неффса» используется в экспериментах по ДНК-опосредованной трансформации. Она состоит из: 0,25% РР, 0,25% дрожжевого экстракта, 0,5% глюкозы, 33 М FeCl3 с добавлением пенициллина G и сульфата стрептомицина по 250 мкг/мл каждого и 1,25 мкг/сутки амфотерицина В. Чтобы избежать образования осадка, FeCl3 сначала растворяют при перемешивании в одной четверти конечного объема воды, а затем растворяют глюкозу, дрожжевой экстракт и РР. Затем разбавляют остатком воды, распределяют по бутылкам и автоклавируют.

Время удвоения 1,4 ч при 30°C было достигнуто в питательной среде, состоящей из 2 % сухого обезжиренного молока, 0,5 % дрожжевого экстракта и 0,003 % Fe-EDTA, а максимальная концентрация клеток 2×107 была достигнута при использовании этой среды в перфузионном биореакторе.

Бактериальные питательные среды используют только в том случае, когда есть необходимость вызвать голод у тетрахинемы и заставить ее размножаться половым путем.

Наиболее удобной для этих целей является среда 2%-го бактеризованного пептона, в которой достигаются максимальная скорость роста и концентрация клеток равная 2×104 клеток/мл [7].

Вклад Т.термофилы в развитие науки

Изучение тетрахимены термофиле внесло вклад в многие разделы биохимии и молекулярной биологии и позволило сделать ряд открытий:

Являются первыми эукариотическими клетками, чьё деление удалось синхронизировать, благодаря чему началось изучение механизмов контроля клеточного цикла;

Впервые смогли выделить и очистить двигательные белки (например, динеин) и определить их двигательную активность;

Исследована работа лизосом и пероксисом;

Были описаны перестройки соматических генов;

С помощью них открыли молекулярную структуру теломер, фермента теломеразы;

Открыли рибозимы;

Открытие роли ацетилирования гистонов в транскрипции;

Показана роль механизма, подобного РНК-интерференции, в формирования гетерохроматина;

Описана роль посттрансляционной модификации тубулинов и идентифицированы некоторые ферменты, отвечающие за нее;

Тетрахимена оказалась первым организмом, у которого возможно считывание при транскрипции всех 64 кодонов [3];

Подводя итоги, необходимо сказать, что Т.термофиле на сегодняшний день является перспективным модельным объектом для многих исследований в области биологии, молекулярной генетики, экологии и медицины. Данная инфузория проста в выращивании, доступна для приобретения, ее геном полностью секвенирован. Это все способствует тому, что многие исследователи начали использовать ее во всевозможных исследованиях по биоиндикации токсинов, в том числе при проверке на токсичность фармацевтических препаратов, проверки качества пищевой продукции и при проведении экспериментов по репарации ДНК.

Список литературы:

1. Список модельных объектов (биология) | это... Что такое Список модельных объектов (биология)? [Electronic resource] // Словари и энциклопедии на Академике. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1335321 (accessed: 02.09.2022).

2. Tetrahymena thermophila - an overview | ScienceDirect Topics [Electronic resource]. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/tetrahymena-thermophila (accessed: 10.11.2022).

3. T. thermophila | это... Чтотакое T. thermophila? [Electronic resource] // СловарииэнциклопедиинаАкадемике. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/750132 (accessed: 10.11.2022).

4. Jiang J. et al. Structure of Telomerase with Telomeric DNA // Cell. 2018. Vol. 173, № 5. P. 1179-1190.e13.

5. Число генов в геноме инфузории оказалось таким же, как у человека • Новости науки [Electronic resource] // «Элементы». URL: https://elementy.ru/novosti_nauki/430314/Chislo_genov_v_genome_infuzorii_okazalos_takim_zhe_kak_u_cheloveka (accessed: 10.11.2022).

6. RAD51 Gene - GeneCards | RAD51 Protein | RAD51 Antibody [Electronic resource]. URL: https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=RAD51 (accessed: 10.11.2022).

7. Название публикации et al. Балтийский Морской Форум. Калининград: Обособленное структурное подразделение “Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота” федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Калининградский государственный технический университет,” 2021. P. 163.

8. Orias E., Hamilton E.P., Orias J.D. Chapter 4 Tetrahymena as a Laboratory Organism: Useful Strains, Cell Culture, and Cell Line Maintenance // Methods in Cell Biology / ed. Asai D.J., Forney J.D. Academic Press, 1999. Vol. 62. P. 189–211.

Просмотров работы: 79