Слизистая история человека и слизи

Слизь внутри вас и вокруг вас. Слизь - это причина вашего существования.

Отредактировано 2023-25-06
Ребенок в лавандовой рубашке растягивает руками игрушечную оранжевую слизьСлизь может выглядеть и ощущаться отвратительно, но она является важной частью функций нашего организма.

Омер Гёккумен - доцент кафедры биологических наук Университета Буффало.

Слизь есть везде. Она формирует консистенцию ваших биологических жидкостей, от слюны во рту до слизи, покрывающей ваши органы. Она защищает вас от болезнетворных микроорганизмов, включая коронавирус, и одновременно создает во рту дом для миллиардов дружественных бактерий. Она помогает слизням заниматься сексом по-паучьи, вися на стенах, миксинам превращать воду в быстро разрастающуюся слизь, миногам фильтровать пищу, а свиристелям строить гнезда.

Но хотя слизь необходима для всех форм сложной жизни, ее эволюционное происхождение остается туманным.

Я эволюционный генетик, изучающий эволюцию человека и его генома. Вместе с моими коллегами, включая моего давнего сотрудника Стефана Руля и моего студента Петара Пайича, мы решили эту эволюционную загадку в нашей недавно опубликованной работе. Мы начали с изучения того, как образуется слюнная слизь у разных видов. Мы обнаружили, что слизь открывает окно в ту роль, которую повторяющаяся ДНК играет в загадках эволюции.

Что такое муцины?

Слизь состоит из белков, называемых муцинами, которые являются сосудами для молекул сахара. Эти сахара - главные помощники в создании слизи.

В отличие от других белков, которые обычно имеют замысловатую трехмерную форму, муцины часто имеют форму длинных, жестких стержней. Молекулы сахара прикрепляются по всей длине стержней, создавая сложные, похожие на щетку структуры.

Это партнерство между белковыми строительными блоками и связанными с ними сахарами, повторяющееся снова и снова, имеет важное значение для свойств муцинов. Эти структуры могут прилипать к другим муцинам и микробам, изменяя физические свойства окружающих их жидкостей в липкую и слизистую субстанцию.

Эволюция слизи

Несмотря на замечательные свойства муцинов и их важную роль в биологии, вопрос о том, как они развивались, до сих пор ускользал от внимания ученых.

Чтобы выяснить эволюционное происхождение муцинов, мы с коллегами начали с поиска общих генетических предков муцинов у 49 видов млекопитающих. В конце концов, эволюция часто подстраивается, но редко изобретает. Самый простой способ эволюции нового гена - это копирование и вставка уже существующего и внесение небольших изменений в новую копию в соответствии с условиями окружающей среды. Шансы на то, что один вид самостоятельно изобретет сложный муцин с нуля, астрономически малы. Наша исследовательская группа была уверена, что копирование и вставка существующих генов муцина, которые затем адаптируются к потребностям конкретного вида, является основной движущей силой эволюции муцина.

Но наши первоначальные предположения оказались неполными. Копирование и вставка муциновых генов в геном должно привести к появлению дочерних генов, имеющих сходство друг с другом. Несмотря на то, что некоторые муцины действительно подходили под наши критерии, в предыдущем исследовании были рассмотрены все известные гены, кодирующие муцины у людей, и обнаружен ряд "сиротских" муцинов, которые не принадлежат ни к одному генному семейству. Они существуют сами по себе в огромном ландшафте человеческого генома.

Затем мы сосредоточились на поиске таких сиротских генов в геномах десятков видов в генетических базах данных. Мы обнаружили 15 случаев новых муциновых генов, которые развивались у разных млекопитающих, не имея никакой связи с известными муциновыми генами.

Однако дальнейшее исследование показало, что у этих генов муцина все-таки есть родственники. Они имеют общих предков с другими стержнеподобными белками, богатыми аминокислотой пролин, которые часто встречаются в слюне. Однако эти белки, богатые пролином, не имеют ключевых повторяющихся белковых структур, которые помогают муцинам связываться с молекулами сахара.

Мы предположили, что эти белки, богатые пролином, могут подвергаться "муцинизации" путем многократного добавления белков, связывающихся с молекулами сахара, называемых гликопротеинами. Чтобы проверить это, мы сравнили последовательности генов, кодирующих муцины, и генов, кодирующих белки, богатые пролином, у различных млекопитающих, включая человека. Мы обнаружили, что последовательности очень похожи. Единственным отличием было наличие повторяющихся сегментов гликопротеинов в муцинах. Это означало, что некоторые белки могут превращаться в муцины просто путем добавления копий этих повторяющихся сегментов.

Повторяющаяся ДНК и эволюция

Наши результаты показывают разнообразие муцинов у самых разных существ, открывая вид на слизистую игровую площадку адаптации эволюции.

Исследователи часто игнорируют повторяющиеся генетические последовательности, поскольку они редко встречаются в генах, кодирующих белки, которые выполняют многие биологические функции в клетках. Но в случае муцинов создание повторяющихся последовательностей с нуля оказывается основным двигателем их эволюции. Наша более ранняя работа на приматах показывает, что количество повторяющихся сахаросвязывающих сегментов в данном муцине может быть фактором, определяющим его отличие от других.

Возможно, что добавление повторяющихся генетических последовательностей может незаметно определять и другие функции генома. Действительно, такие тандемные повторы являются распространенным типом мутаций в геноме человека, и недавние исследования намекают на их нераскрытую роль в биологических различиях между людьми.

Улитка оставляет след из слизи на мокрых зеленых листьяхМуцины в слизи улитки имеют схожие биологические свойства со слизью в вашем теле. Фотографии месторождений

Муцины и здоровье человека

Понимание того, как работают муцины, также поможет исследователям лучше понять ряд заболеваний.

Когда муцины не работают должным образом, это может привести к болезни. У людей с неправильной работой гена CFTR развивается муковисцидоз, при котором организм не может очистить легкие от слизи и затрудняет дыхание. Сбои в регуляции муцинов также связаны с развитием рака.

Хотя это может быть неочевидно, вы, вероятно, имеете личную связь с муцинами. Два года назад я навещал свою мать после постановки ей диагноза рака. Дождь только что закончился, и улицы Стамбула превратились в шумную деревню нервирующе больших улиток. Во время короткой прогулки с мамой я с увлечением подобрал одну из этих улиток, к ее ужасу.

У меня не хватило духу сказать ей, что биологический механизм, позволяющий этим удивительным существам двигаться, был тем же самым, который помогал расти опухоли в ее легких. Это напомнило мне слова ученого Майкла Фарадея: "Неважно, на что вы смотрите, если вы смотрите на это достаточно пристально, вы вовлечены во всю Вселенную".