Luminous Bacteria Control Clock Genes In Host's Body

Een andere nieuwe studie zet een verdere stap in de richting van onthulling van de alomtegenwoordige invloed van microbiële gemeenschappen die planten en dieren bewonen op hun biologie. Wetenschappers in de VS hebben ontdekt dat de lichtgevende bacterie Vibrio fischeri reguleert het dagelijkse ritme van zijn gastheer, de Hawaiiaanse pijlstaartinktvis, door interactie met zijn klokgenen.
Margaret McFall-Ngai, van de Universiteit van Wisconsin-Madison (UW-Madison), en collega's, vertellen hoe ze de symbiotische bacterie ontdekten die de biologische klok van zijn gastheer installeerde, in het online nummer van het tijdschrift van 2 april. MBIO.

Nieuwe inzichten in Microbiome

De studie is de eerste om te laten zien een microbe die het circadiane ritme van zijn gastheer reguleert. Het is belangrijk omdat het suggereert dat er veel meer gebeurt tussen levende gastheren en de microben die hen bewonen, dan we misschien denken: hoewel andere recente studies ook enkele interessante nieuwe bevindingen onthullen.
Neem bijvoorbeeld het "microbioom" dat in de menselijke darm woont. Deze uitgebreide verzameling microbiële gemeenschappen bestaat uit duizenden bacteriën, schimmels en andere organismen die taken uitvoeren die essentieel zijn voor de spijsvertering, zoals het maken van vitamines en essentiële aminozuren, het afbreken van gifstoffen en het creëren van barrières tegen onvriendelijke indringers.
Onlangs stelde een internationaal team van wetenschappers vast dat bij 3,3 miljoen mensen de genen in het microbioom van de menselijke darm veel groter zijn dan de 23.000 genen in het menselijk genoom.
Een ander team van Amerikaanse onderzoekers meldde dat darmbacteriën deel uitmaken van een complex systeem dat de bloeddruk van het lichaam onderhoudt, terwijl een groep uit China en Europa zei dat er iets heel onderscheidends is aan de darmbacteriën van mensen met type 2 diabetes.

Biologische klok

Mensen en andere dieren hebben een "biologische klok" die ons circadiane ritme reguleert in een 24-uurs cyclus.

Onze biologische klok lijkt grotendeels te worden beheerst door blootstelling aan licht en donker, en is verantwoordelijk voor patronen van slaap en waakzaamheid, en bepaalde metabolische en fysiologische functies.
We zijn ons meestal niet bewust van dit ritme tot het wordt verstoord, bijvoorbeeld door jetlag, of wanneer we in nachtdiensten werken.
Er zijn aanwijzingen dat het verstoren van deze dagelijkse cyclus een ernstige invloed kan hebben op onze gezondheid, waardoor bijvoorbeeld slaap- en immuunsysteemaandoeningen en aandoeningen zoals seizoensgebonden affectieve stoornis ontstaan.
Wetenschappers suggereren dat op het moleculaire niveau het circadiaanse ritme wordt aangestuurd door een reeks "klokgenen" en hun verwanten.
"Bij de mens bevinden de genen die in de darm worden uitgedrukt zich in een diepgaand circadiaans ritme dat wordt bestuurd door de klokgenen", zegt McFall-Ngai in een verklaring.

De Hawaiiaanse Bobtailinktvis

De Hawaiian bobtail squid, Euprymna scolopes, is een kleine marine ongewervelde die zijn nachten doorbrengt foerageren in de buurt van het oceaanoppervlak.
Het heeft veel trucs om af te leiden of te verbergen voor would-be roofdieren: het kan inkt als lokaas vrijgeven, het kan zich in het zand begraven en het kan van kleur veranderen.
Maar misschien is de meest geavanceerde tool in zijn arsenaal degene die een kolonie van bioluminescent bevat V. fischeri gedragen in een speciaal "lichtorgel" binnen zijn mantelholte.
De inktvis gebruikt het lichtorgel als een soort verhul apparaat. Het kan de kwaliteit van het licht sturen en veranderen, en het kan ook de intensiteit van het licht manipuleren om naar beneden bewegende maan en sterrenlicht te matchen, om het silhouet te maskeren en roofdieren te ontwijken.
Bij het aanbreken van de dag scheurt de inktvis 90% van de gloeiende bacteriën af, gooit hij zich in het zand en slaapt hij tot de avond valt, wanneer hij gewapend met een nieuw gewas bacteriën het nachtelijke foerageren hervat.

Light From Bacteria triggers Genetic Cascade in the Squid's Light Organ

In hun studie vonden McFall-Ngai en collega's dat het licht gegenereerd door de koloniserende bacterie Vibrio fischeri triggert een genetische cascade in de cellen van het lichtorgel van de inktvis.
Deze cascade bestuurt de dagelijkse cyclus van activiteit die normaal wordt gesynchroniseerd door omgevingsfactoren zoals zonlicht.
"In plaats van omgevingslicht, reageert en cycli dit dier in reactie op de luminescentie van zijn eigen lichtorgel," zegt McFall-Ngai, een professor in de medische microbiologie en een autoriteit op de bobtail-inktvis en zijn luminescerende symbiotische bacterie.
"Dit dier heeft een lichtproducerend systeem in een orgaan in het midden van het lichaam", legt ze uit, "De bacteriën in het lichtorgel zijn lichtgevend en hun luminescentie beïnvloedt de expressie van een klokgen dat bekend staat als 'huilen' in de cellen van het lichtorgaan die in wisselwerking staan ??met deze lichtgevende bacteriën. "
Het team keek ook naar wat er met het cry-gen gebeurde met en zonder de aanwezige bacteriën, en ook wat er gebeurde in de aanwezigheid van mutante bacteriën die niet in staat zijn om licht te produceren.
Ze vonden dat de genen van de inktvis in een ritme moesten worden uitgedrukt, dat ze licht van de bacterie nodig hadden.

Handig model voor het bestuderen van het samenspel van symbiont-bacteriën en biologie van de gastheer

De onderzoekers suggereren dat het lichtorgel van de inktvis een bruikbaar model biedt om het samenspel van een symbiontbacterie en de biologische functies van zijn gastheer te begrijpen.
McFall-Ngai zegt dat de menselijke darm ook een systeem is dat wordt gekenmerkt door ritme:
"Alles in de menselijke darm is op een ritme, misschien beheersen de duizenden bacteriën daar ook het ritme van de darm, net zoals de lichtgevende bacteriënpartner van de inktvis de ritmes in het lichtorgel zet."
Ze zegt dat het lichtorgel van de inktvis een eenvoudig model biedt waarin je slechts één microbe genetisch manipuleert en ziet hoe deze het hele systeem beïnvloedt.
Dit biedt "veel meer resolutie dan kan worden gedaan in studies van de menselijke darm", zegt McFall-Ngai.
Maar misschien is het meest verbazingwekkende deel van deze ontdekking, zoals ze het zegt:
"We beginnen ons te realiseren dat circadiane ritmes echt belangrijk zijn voor de gezondheid en dat microben belangrijk zijn voor alles."
Fondsen van de National Institutes of Health en de National Science Foundation hielpen mee het onderzoek te bekostigen.

Geschreven door Catharine Paddock PhD