Новое исследование Фонда Шампалимо (CF) показывает, как отсутствие всего одной незаменимой аминокислоты может изменить экспрессию генов и сенсорные системы мозга, побуждая животных искать богатые белком дрожжи и кишечные бактерии, которые помогают им восстановить баланс питательных веществ и выжить в трудные времена.
Сыр и шоколад, возможно, не слишком привлекательны для плодовой мушки, но для голодной мухи, испытывающей нехватку питательных веществ, их запах несёт скрытый сигнал. Лишившись определённых аминокислот — строительных блоков белка, — эти крошечные насекомые развивают удивительно тонкое обоняние, которое помогает им выслеживать не только еду, но и определённые бактерии, живущие в ферментированных продуктах.
На протяжении многих лет учёные знали, что животные чувствуют нехватку определённых питательных веществ и активно ищут пищу, чтобы компенсировать её недостаток. Оставалось неясным, как мозг преобразует эту внутреннюю потребность в питании в поведенческий импульс — как физиологическая «потребность» становится сенсорным «желанием». Этот вопрос мотивировал исследователей из Лаборатории поведения и метаболизма при Фонде Шампалимо под руководством главного исследователя Карлоса Рибейро, старшего автора исследования. Исследование опубликовано в журнале Current Biology .
Животные, включая человека, не способны синтезировать все необходимые им аминокислоты. Эти так называемые незаменимые аминокислоты (или незаменимые аминокислоты) должны поступать с пищей. Отсутствие хотя бы одной из них приводит к кардинальным изменениям в биохимических процессах организма: синтез белка замедляется, обмен веществ замедляется, а мозг испытывает определённый аппетит к богатой белком пище.
У плодовых мушек такое поведение легко наблюдать: если убрать из их рациона одну незаменимую аминокислоту, они начнут искать дрожжи, свой основной источник белка. Но команда Рибейро хотела понять, какие процессы в мозге приводят к такому изменению.
Используя синтетические диеты, в каждой из которых отсутствовала одна из десяти незаменимых аминокислот, исследователи секвенировали РНК (рибонуклеиновую кислоту) из голов мух в одиннадцати различных условиях: десять диет с дефицитом аминокислот и одна полностью сбалансированная контрольная. Это позволило им проследить, как менялась экспрессия тысяч генов в зависимости от отсутствующей аминокислоты.
«Хотя поведение мух было схожим при всех условиях дефицита аминокислот, демонстрируя повышенное стремление к еде, каждый случай дефицита имел свой уникальный „отпечаток“ с точки зрения экспрессии генов. Но, несмотря на эти различия, некоторые гены изменялись одинаково, независимо от того, какая аминокислота отсутствовала», — говорит Гили Эзра-Нево, первый автор исследования.
Среди этих общих изменений выделялась одна закономерность: два гена обонятельных рецепторов, оба участвующие в обонянии, постоянно активировались в ответ на дефицит аминокислот. Эти гены — Or92a и Ir76a — стали ключом к пониманию того, как обоняние мух настраивается на удовлетворение их потребностей.
Связь с дрожжами: как запах формирует вкус
Первый рецептор, Or92a, уже был известен своей реакцией на диацетил — молекулу, которая придаёт попкорну со вкусом сливочного масла характерный аромат и способствует запаху вина и пива. Дрожжи производят диацетил в процессе брожения, и, поскольку дрожжи содержат все незаменимые аминокислоты, вполне логично, что этот запах особенно привлекателен для мух, испытывающих дефицит белка.
Когда исследователи тестировали мух, лишённых гена Or92a, насекомые всё ещё могли находить дрожжи, но стали меньше ими питаться. «Они чувствовали запах, но вкус был для них не таким приятным. Это потому, что обоняние не только помогает найти пищу, но и влияет на вкус и оценку её вкусовых качеств», — объясняет Эзра-Нево.
Команда пошла ещё дальше, используя мутантный штамм дрожжей, не вырабатывающий диацетил. Результат оказался тем же: мухи стали реже питаться. Потеря этого ключевого обонятельного сигнала нарушила их вкусовые ощущения, сделав еду менее привлекательной. Подобно тому, как люди теряют аппетит или удовольствие от еды из-за заложенности носа, мухи контролируют аппетит благодаря тесному взаимодействию между обонянием и вкусом.
«Шоколадные нейроны» в мозге?
Второй рецептор, Ir76a, оказался ещё более загадочным. Изучая литературу по микробиологии и науке о питании, исследователи обнаружили, что ферментированные продукты, такие как сыр и шоколад, выделяют соединение, которое активирует Ir76a.
Тестирование показало, что обонятельные нейроны мух сильно реагировали на запах шоколада, но не сыра. Обнаружили ли они в мозге «шоколадные нейроны»? Не совсем. Поскольку мухи обычно не питаются шоколадом или сыром, команда копнула глубже и обнаружила настоящую связь: оба продукта ферментируются бактериями Lactobacillus и Acetobacter, которые также производят одно и то же соединение.
«Вот тут-то всё и прояснилось. Мух привлекал не сам шоколад — их привлекали бактерии, размножающиеся в этих продуктах. А эти бактерии также являются естественными обитателями микробиома мух», — говорит Сильвия Энрикес, соавтор исследования.
Когда исследователи подвергли мух воздействию живых бактерий Lactobacillus и Acetobacter, нейроны Ir76a отреагировали ещё сильнее. Поведенческие эксперименты подтвердили эту связь: мухи, лишенные аминокислот, активно увеличивали потребление бактерий, но только когда бактерии были живы и метаболически активны. Мертвые бактерии больше не вызывали желания поесть. Другими словами, мухи искали бактерии ради их метаболической выгоды.
А когда учёные вывели из строя рецептор Ir76a, мухи полностью потеряли интерес, даже при дефиците питательных веществ. «Это было самое удивительное открытие. Оно показало, что обоняние мух буквально настроено на обнаружение бактерий, и эта настройка зависит от их внутреннего уровня питания. Дефицит аминокислот не просто изменил нейронную активность — он изменил и то, какие рецепторы изначально формировались», — говорит Эзра-Нево.
Микробные союзники у мух и у нас
Зачем мухе искать бактерии, когда аминокислот мало? Предыдущие исследования показали, что питание определёнными бактериями улучшает яйцекладку у мух, испытывающих дефицит аминокислот. Другие исследования показали, что кишечная микробиота может усиливать усвоение аминокислот в условиях дефицита питательных веществ, вырабатывая ферменты, которые более эффективно расщепляют белки.
«Следуя за своим обонянием в сторону бактерий, мухи, по-видимому, развили в ходе эволюции способность использовать микробов в качестве союзников, выбирая партнеров, которые повышают их шансы на выживание в условиях дефицита аминокислот», — говорит Энрикес.
Параллели с людьми интригуют. Многие традиционные диеты включают ферментированные продукты — от кимчи до йогурта и кефира — которые издавна ценятся за свои консервирующие свойства, однако недооценённая часть их привлекательности может заключаться в том, что они содержат полезные бактерии, способствующие пищеварению и усвоению питательных веществ.
Результаты исследования предполагают, что наша тяга к ферментированным продуктам может отчасти объясняться древней биологической логикой. Когда питательных веществ не хватает, организм, по-видимому, настраивает свои сенсорные системы на поиск необходимых веществ — иногда обнаруживая микробы, а не макронутриенты.
Это исследование затрагивает более широкий вопрос биологии: как внутренние физиологические состояния формируют восприятие и поведение. Идея о том, что голод может влиять на сенсорную обработку и нейронную активность, не нова, но это исследование идёт дальше, показывая, что в условиях многократного дефицита питания определённые сенсорные рецепторы перепрограммируются на молекулярном уровне для повышения физической формы.
Другими словами, мозг мух не просто интерпретирует голод — он физически меняет способы восприятия мира, чтобы удовлетворить его. Хотя мы часто думаем, что чувства неизменны, на самом деле они удивительно динамичны.
Исследование лаборатории Рибейро показывает, что при дефиците незаменимых аминокислот у мух происходят изменения в экспрессии генов, которые помогают им обнаруживать продукты питания (или микробы), способные восполнить этот дефицит, и адаптироваться к трудностям, связанным с питанием. Это яркий пример того, насколько тесно могут быть переплетены обмен веществ, мозг и поведение.
Источник: Champalimaud Centre for the Unknown. Фото: Карла Эмили Перейра.
