Molekulárni strážcovia plodnosti Spoločnosť Maxa Plancka

Sterilita výživy

Výskumná skupina Christiana Eckmanna z Inštitútu pre molekulárnu bunkovú biológiu a genetiku Maxa Plancka v Drážďanoch nedávno opísala genetický program pre nematódy C. elegans, ktorý kompenzuje kolísanie kvality v strave a tým chráni reprodukčnú schopnosť zvierat [1]. Genetická štúdia tiež odhalila novú ireverzibilnú sterilitu vyvolanú stravou, ktorá ovplyvňuje iba reprodukčné bunky. Táto sterilita sa stáva viditeľnou na jednej strane deštrukciou zárodočných kmeňových buniek a na druhej strane poruchami diferenciácie ženských reprodukčných buniek (Obr).

Genetické dôkazy o vplyve výživy na ontogenézu zvierat stále pribúdajú. Tento vplyv sa týka rôznych metabolických produktov, ktoré vznikajú v čreve. Okrem črevných buniek majú črevné mikróby vplyv aj na metabolizmus a sú schopné produkovať rôzne metabolické produkty, ktoré môžu mať negatívny alebo pozitívny vplyv na hostiteľa. V kombinácii s diétou môžu črevné mikróby ovplyvňovať obrovské množstvo procesov v mnohobunkových bunkách. Zatiaľ však nie je známe, ako strava a mikróby ovplyvňujú reprodukčnú schopnosť zvierat.

Všetky výskumné laboratóriá na celom svete používajú ako jednotný zdroj potravy pre C. elegans konkrétny E.. coli-Bakteriálny kmeň (OP50). Výskumná skupina prekvapivo zistila, že presne toto E..coli-Kmeň pri absencii genetickej aktivity jadrového receptora nhr-114 Spôsobuje sterilitu. Rôzne kmene baktérií, vrátane cudzích E. coli-Typu, ale nevyvolával sterilitu (Obr). Pri hľadaní negatívnych vlastností baktérie OP50 vedci zistili, že je pravdepodobné, že ide o metabolický produkt, ktorý sa vytvorí ako reakcia na kultiváciu v štandardnom médiu. Pretože odchov „škodlivého“ E. coli-Bakteriálny kmeň “v médiu, ktoré bolo obohatené výlučne o aminokyselinu tryptofán, potlačilo negatívny vplyv na reprodukciu nematódy. Štúdia naznačuje, že aktivita jadrového receptora nhr-114 založená na ochranu zárodočných buniek pred toxickými účinkami zlej kvality potravín alebo určitých produktov metabolizmu.

Rozmnožuje sa a živí sa v prírodnom prostredí C. elegans hnilobných potravín, ktoré majú samy osebe rozmanité mikrobiologické zloženie. Táto mikrobiologická zložitosť vedie k záveru, že háďatko je spôsobené aktivitou jadrového receptora nhr-114 K dispozícii je široká škála potravín bez toho, aby hrozilo riziko ohrozenia ďalšej existencie populácie súčasným požitím nesprávnych zložiek potravy.

Obr: Účinky súvisiace so stravou na vývoj dospelého zárodočného tkaniva. Háďatko C. elegans bolo kŕmené rôznymi druhmi baktérií E. coli. Prerušovaná čiara označuje jedno z dvoch existujúcich tkanív zárodočnej línie. Na uzavretom konci (označené hviezdičkou) sa množia zárodočné kmeňové bunky. Diferenciačné reprodukčné bunky (spermie a oocyty) sú na svojom otvorenom konci. V závislosti na dostupnosti potravy a absencii funkčného jadrového receptora nhr-114 (-), zárodočné tkanivo nevyvíja žiadne diferencované vaječné bunky a zárodočné kmeňové bunky majú vážne bunkové defekty. Nakoniec sa rozdelenie zárodočných kmeňových buniek zastaví a zárodočné tkanivo v dospelom organizme sa výrazne zníži. Mierka: 50 μm.

Vývoj a funkcia zárodočného tkaniva v tele

Zárodočné bunky sú nevyhnutné pre reprodukciu zvierat, pretože iba tie sa špecializujú na odovzdávanie genomických informácií ďalšej generácii. U väčšiny zvierat a ľudí sa zárodočné kmeňové bunky vyvíjajú v embryonálnom štádiu. V dospievajúcom štádiu sa vyvíjajú bunkovým delením na zárodočné tkanivo, v ktorom sa niektoré zárodočné kmeňové bunky transformujú na reprodukčné bunky prostredníctvom procesu gametogenézy. Iba v dospelom štádiu nájde reprodukčné tkanivo svoju rovnováhu a organizmus je pripravený na reprodukciu prostredníctvom produkcie vaječných buniek (oocytov) a spermií. Genetické štúdie s modelovými organizmami preukázali, že nutričný stav zvieraťa silne ovplyvňuje túto rovnováhu.

S ovocnou muškou Drosophila melanogaster z. B. zárodočné kmeňové bunky sa veľmi dobre množia s dostatočným prísunom potravy, zatiaľ čo ich reprodukcia sa ukazuje byť oveľa horšia so zníženým prísunom potravy a zárodočné tkanivo je znížené. V nematode C. elegans mohol by sa určiť podobný dynamický vzťah, ktorý je riadený dráhami nervového signálu. Pozorovania týchto modelových organizmov bezstavovcov korelujú s dlhodobými štúdiami na dospelých ľuďoch, podľa ktorých môže rozmanitá strava bohatá na živiny zvýšiť plodnosť žien.

Zatiaľ čo fyzické chyby môžu mať negatívny vplyv na zdravie jednotlivca, chyby v bunkách zárodočnej línie majú potenciál inhibovať ich celkovú reprodukčnú zdatnosť. To je obzvlášť problematické, keď sú ovplyvnené zárodočné kmeňové bunky. Pretože hoci sú embryonálne, reprodukčné bunky sa vyvíjajú iba zo zárodočných kmeňových buniek v tele dospelého človeka. Preto zárodočné tkanivo plní svoju biologickú funkciu relatívne neskoro v živote organizmu. V tomto neskorom čase však už bolo celé telo vrátane zárodočných kmeňových buniek a nezrelých zárodočných buniek vystavené rôznym vplyvom životného prostredia a stravovania. Dá sa preto predpokladať, že boli zavedené genetické programy, ktoré môžu chrániť zárodočné bunky pred nezvratným poškodením výživovými vplyvmi.

Receptory nukleárnych hormónov ako molekulárne chrániče

Vývoj genetických programov

Organizmy sa vyvíjajú a žijú v najrôznejších prostrediach. Zvieratá, ktoré môžu jesť rôzne jedlá, majú výhodu oproti populáciám, ktoré tolerujú jedlo iba v obmedzenej miere. Genetické programy, ktoré podporujú metabolizmus rôznych potravín, uľahčujú osídlenie nových území. Vyvážená strava a optimálne fungujúce zárodočné bunky sú dva hlavné faktory zodpovedné za úspešnú reprodukciu a prežitie ďalšej generácie. Pretože plodnosť a reprodukcia úzko súvisia s dostupnosťou potravy, genetické odpovede sa museli vyvinúť tak, aby koordinovali rovnováhu medzi počtom zárodočných buniek a bohatosťou a kvalitou dodávok potravy (Obr). Stále je však potrebné lepšie molekulárne porozumenie toho, ako súvisí výživa s reprodukčnými kmeňovými bunkami. Táto téma je obzvlášť dôležitá na pozadí moderných stravovacích návykov človeka.

Obr: Na zloženie potravy, ktoré sa ďalej metabolizujú mikróbmi, majú vplyv rôzne podmienky prostredia (šípky). Jadrové receptory v čreve riadia genetický program, ktorý chráni zárodočné bunky pred negatívnymi metabolitmi. To môže zvýšiť plodnosť a populácia zvierat sa môže efektívne šíriť a množiť na širokej škále biotopov.

Výsledky štúdie, ktorú uskutočnili Xicotencatl Gracida a Christian Eckmann, vytvárajú základ pre pochopenie výživových vplyvov na vývoj zárodočných buniek. Výsledky ukazujú, že zárodočné kmeňové bunky sú mimoriadne citlivé na metabolické produkty. Vplyv stravy sa odohráva na úrovni bunkovej a genetickej integrity, ako aj na správnom vykonávaní delenia a diferenciácie buniek. Tieto výsledky týkajúce sa kvality potravín sú v kontraste s predtým predpokladanými nutrično-fyziologickými účinkami množstva potravy na reprodukciu zárodočných kmeňových buniek. Pozorovanie, že metabolizmus baktérií slúžiacich ako potrava tiež ovplyvňuje reprodukčné tkanivo zvierat, vyvoláva ďalšie dôležité otázky: Ovplyvňujú črevné mikróby človeka aj plodnosť a podobné genetické programy chránia zárodočné kmeňové bunky cicavcov?