Микробиология

Геномы ледников — какие они?

Изменение климата влияет практически на все экосистемы. В особенной опасности ледники, площадь которых постоянно сокращается. Тем временем, мы до сих пор плохо знаем о том, что в них можно найти. Например, это могут быть сохранившиеся на протяжении тысяч лет микроорганизмы — мы не можем точно предсказать, что произойдет, если они оттают. Также в ледниках можно найти уникальные организмы, включая бактерии, водоросли, грибы, археи, которые могут быть потеряны навсегда.

Китайские исследователи изучили ледники Тибетского плато, 80% которых уже начали таять. Они собрали коллекцию из 3241 геномов различных организмов из снега, льда и пыли, собранных с 21 ледника. 82% геномов — это ранее не описанные организмы. Кроме геномного каталога, авторы собрали каталог отдельных белок-кодирующих генов и надеются, что они могут быть полезны как для сравнения с данными из других ледников, так и в поиске возможных патогенов и полезных метаболитов. — A genome and gene catalog of glacier microbiomes, «Биомолекула»: «О, этот благодатный дождь из бактерий!».

Пищевые волокна из апельсинов улучшают метаболизм (во всяком случае, у мышей)

Клетчатка полезна для нашего организма, а вот чем она точно полезна — вопрос, который должен быть подробно изучен. Исследователи из США обнаружили, что микробиом кишечника человека извлекает из мякоти апельсина N-метилсеротонин. Его выявили, сравнив содержимое кишечника у мышей с человеческим микробиомом и стерильным кишечником. Мышам давали пищу с высоким содержанием насыщенных жиров и низким количеством клетчатки. Такая диета имитирует то, как питается среднестатистический житель США. Однако части животных давали пищевые волокна из мякоти, мембран и кожуры апельсинов — отходов производства сока.

N-метилсеротонин оказался важным для поддержания у мышей низкого уровня жира, метаболизма сахаров в печени, а также замедлял процесс переваривания пищи в кишечнике. У людей, которые ели добавки с пищевыми волокнами из апельсинов или гороха, также высвобождался N-метилсеротонин, однако четкой физиологической пользы не было показано. Тем не менее, это исследование показывает, что не стоит пренебрегать отходами пищевого производства, потому из них можно извлечь много веществ, потенциально полезных для человека. — Microbial liberation of N-methylserotonin from orange fiber in gnotobiotic mice and humans, «Биомолекула»: «Клетчатка на пользу потомкам».

Иммунология

Изменение метаболизма помогает ранам заживать

Повреждения кожи должны зажить как можно быстрее — не только для того, чтобы спасти организм для патогенов, но и чтобы клетки на месте раны не погибли от недостатка кислорода. Основная нагрузка при этом падает на клетки эпителия, которым не только нужно справиться с гипоксией, но при этом делиться и мигрировать, затягивая рану. В этом процессе важна и работа иммунной системы — у людей и животных с иммунодефицитом заживление ран идет гораздо медленней. Ученые из Нью-Йоркского университета объяснили, почему так происходит. Они обнаружили, что Т-клетки кожи выделяют интерлейкин 17А, который запускает миграционную программу для клеток эпителия. Это происходит за счет активации транскрипционного фактора HIF1α, который уже давно отмечали в этом процессе. Этот белок реагирует на гипоксию, запуская изменения в метаболизме раневых тканей — активирует гликолиз, давая клеткам дополнительную энергии для миграции и затягивания раны. Интересно, что и HIF1α, и гликолиз запускают развитие опухолей и метастазирования, то есть не исключено, что такой же сигнальный путь, который запускает ИЛ-17А, активен и в онкогенезе. — Interleukin-17 governs hypoxic adaptation of injured epithelium, «Биомолекула»: «Гипоксия, негипоксическая гипоксия и иммунитет».

Нейробиология

Микроглия связывает болезнь Альцгеймера и синдром Дауна

Клетки микроглии очень важны для формирования и поддержания работы головного мозга. Нарушение их работы связывают с некоторыми заболеваниями. Типичный пример — болезнь Альцгеймера (БА), при которой эти клетки излишне активируются. А синдром Дауна — это не только нарушения развития, в том числе головного мозга и клеток микроглии, но и частый фактор риска развития Альцгеймера. Ген APP — предшественник бета-амилоида, накапливающегося у пациентов с БА и у людей с синдромом Дауна — находится на 21-й хромосоме. Связана ли патология клеток микроглии у пациентов с синдромом Дауна и развитием БА — вопрос, который изучили американские исследователи. Они использовали органоиды на основе индуцированных стволовых клеток человека (ИПС) с синдромом Дауна. Они содержали как нервные клетки, так и клетки микроглии. У таких органоидов наблюдали нарушения развития, в особенности увеличение прунинга синапсов (с помощью этого механизма микроглия управляет правильным соединением нейронов). Такие же особенности найдены в гиппокампе людей с синдромом Дауна, а также воспроизведены у мышей с химерным мозгом: некоторые клетки микроглии принадлежали мыши, а часть получена из ИПС клеток человека с синдромом Дауна. К счастью, авторам удалось найти потенциальную мишень для контроля этого процесса. Так как при синдроме Дауна активируется интерфероновый ответ, его блокировка способна снизить уровень патологических процессов, связанных с микроглией. — Type-I-interferon signaling drives microglial dysfunction and senescence in human iPSC models of Down syndrome and Alzheimer’s disease, «Биомолекула»: «Микроглия: роль „иммунных“ клеток центральной нервной системы в здоровом мозге и при нейродегенеративных заболеваниях».

В чем различие между мозгом мыши и человека?

Мышь — самая распространенная модель для исследования мозга. Молекулярно многие процессы, которые происходят в мозге у мыши, очень похожи на человеческие. Однако, в отличие от мышей, кора головного мозга человека более развита. Насколько у нас различаются связи между нейронами коры? Авторы исследования получили подробную карту нейронных связей, проанализировав образцы фронтальной и височной коры человека, а также образцы височной и теменной коры макаки с помощью трехмерной электронной микроскопии. Сравнив эти данные с уже полученными для мыши картами, обнаружили, что у человека в 10 раз более развиты связи между вставочными нейронами. Однако количество синапсов, которые посылают информацию пирамидальным нейронам (основным возбудительным нейронам головного мозга) различается незначительно: 12 тысяч у мыши и 15 тысяч у человека. Этот вывод неожиданный, так как кора головного мозга у человека гораздо толще.

Таким образом, во всяком случае для пирамидальных нейронов, за 100 миллионов лет эволюционного расхождения мыши и человека ничего особо не изменилось. Однако большое количество вставочных нейронов — уникальное приобретение для человека, и необходимо разобраться, как оно появилось и что оно нам дает. — Connectomic comparison of mouse and human cortex, «Биомолекула»: «Blue Brain Project: как все связано?».

Биоинженерия

Как создать искусственное сердце?

Для того, чтобы создать искусственный орган, нужно точно воспроизвести его трехмерную структуру так, чтобы клетки могли выполнять свои функции так же, как и в реальном организме. Желудочек сердца сокращается достаточно мощно, чтобы выпустить из себя 70 мл крови против давления в 100 мм ртутного столба. Его стенки состоят из кардиомиоцитов, которые организованы в виде спиральных волокон, окутывающих желудочек. Эти спирали не только сокращаются, но и скручиваются. Эту структуру смогли сымитировать американские ученые. Они получили полимерные подложки-волокна с различной ориентацией компонентов, а затем высаживали на эти волокна кардиомиоциты, создавая искусственный желудочек. Оказалось, что волокна со спиральной структурой наиболее точно напоминают естественное сердце. Этот метод интересен также тем, что с его с помощью можно воспроизвести и органы, которые воспроизводят различные патологии развития сердечной мышцы. — Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning, «Биомолекула»: «Искусственные органы и тканевая инженерия».

Эмбриология

Клоны мышей из лиофилизированных клеток

Клеточные биологи уже давно умеют замораживать клетки так, чтобы они были жизнеспособны после десятилетий заморозки. Однако для этого нужен либо жидкий азот, либо холодильники, которые способны поддерживать такую температуру. Это не всегда удобно, недешево и требует постоянного технического обслуживания. Отключение электричества или прекращение поставки жидкого азота могут уничтожить коллекции клеток, в том числе и половых, которые создавались годами. Впрочем, некоторые клетки выдерживают лиофилизацию и дальшейшее хранение при температуре значительно выше температуры жидкого азота. Например, лиофилизированными мышиными сперматозоидами, которые больше года хранили в ящике стола, успешно оплодотворили яйцеклетки, что привело к появлению здорового потомства.

В новой работе японские ученые смогли клонировать мышей из ядер лиофилизированных фибробластов и клеток кумулюса (микроокружения гамет), которые хранили при −30 С в течение времени до 90 месяцев. Эти ядра переносили в мышиные яйцеклетки, из которых создавали линии эмбриональных стволовых клеток. Ядра этих линий переносили в новые яйцеклетки, которые пересаживали суррогатным матерям. Несмотря на то, что эффективность метода всего 0,2%, а часть клеток имела нежелательные эпигенетические изменения, родившиеся мыши были здоровыми и фертильными.

Безусловно, метод требует дальнейшей оптимизации, но может быть интересным для создания новых клеточных банков. — Healthy cloned offspring derived from freeze-dried somatic cells, «Биомолекула»: «Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии».

Няньки для мышиных ооцитов

Половые клетки с эволюционной точки зрения можно считать самыми ценными клетками организма. Поэтому неудивительно, что в их развитии участвует большое количество дополнительных клеток, которые нужны для их питания и защиты. Например, у дрозофилы рядом с будущей яйцеклеткой располагается 15 клеток-нянек, которые делятся с ней мРНК и белками, цитоплазмой и органеллами. В эмбриональном яичнике мыши первичные половые клетки развиваются группами из 30 клеток, соединенных между собой каналами. Из них только 6 становятся яйцеклетками, а остальные — клетками-няньками. Исследователи из США обнаружили, что клетки-няньки делятся цитоплазмой и органеллами с будущими яйцеклетками, но делают это последовательно, а не все сразу. После того, как они исчерпали свои ресурсы, их ждет запланированная клеточная смерть через закисление содержимого клетки и разрушение ядра. Такой же способ недавно описан и у дрозофилы.

Как же клетки-няньки отказываются от судьбы стать яйцеклеткой? Оказалось, что соматические клетки, которые окружают их, посылают им сигнал начать передачу цитоплазмы другим клеткам. Однако точный механизм пока остается непонятным. — Mouse oocytes develop in cysts with the help of nurse cells.

Курица или яйцо: кто управляет имплантацией эмбриона?

Создание бластоидов — in vitro модели бластоцисты — помогло разрешить еще одну загадку развития: как происходит имплантация эмбриона? Она происходит на ранних этапах развития, когда бластоциста состоит из внутренней клеточной массы и более многочисленных клеток трофобласта. Как оказалось, некоторые клетки внутренней клеточной массы бластоида посылают трофобласту сигнал выделять белки WNT6 и WNT7B. В ответ на них эндометрий начинает подготовку к имплантации.

Пока эти наблюдения показаны только для мышиных бластоидов, однако исследователи уже работают над повторением результатов на бластоидах человека. Результаты могут оказаться очень похожими, ведь трофобласты человека также экспрессируют WNT6 и WNT7B. Имплантация — бутылочное горлышко для беременности: примерно 50% бластоцист не удается пройти через него. Для разработки способов увеличить эффективность имплантации нам надо лучше понимать, как она вообще происходит. — Epiblast inducers capture mouse trophectoderm stem cells in vitro and pattern blastoids for implantation in utero, «Биомолекула»: «„За экстракорпоральное оплодотворение“ — это не тост, а Нобелевская премия!».

Паразитология

Чем пахнет лихорадка?

Мы привлекаем комаров множеством различных сигналов: от выделяемого нами углекислого газа до цвета нашей кожи. Однако запахи — это тоже очень важный признак того, что мы — достойная добыча для самки комара. Ранее исследователи показали, что малярийный плазмодий заставляет его носителей пахнуть для комаров привлекательно — больной выделяет ароматные альдегидные соединения. Но оказывается, и другие паразиты, которые комары переносят через комаров, способны к такому. Для комаров особо привлекательны животные, больные лихорадкой Зика или Денге. Одним из самых важных веществ, которые начинает выделять жертва — ацетофенон (ароматический кетон с запахом черемухи). Привлеченные им комары пьют кровь, а вместе с ней переносят и вирусы.

Жертва выделяет ацетофенон не напрямую: инфекция мешает клеткам кожи контролировать количество бактерий, которые на них находятся. Происходит это за счет низкого уровня экспрессии антимикробного белка RELM’a. Действительно, уровень этого белка в клетках кожи больных мышей был ниже, а значит, бактерий было больше, и соответственно — больше ацетофенона. Если увеличить уровень этого белка у животных, например, добавляя в еду специальные вещества, бактерий и выделяемого ацетофенона становится меньше — комаров к таким мышам не тянет.

Это исследование важно не только тем, что стоит избегать отдушек с ацетофеноном в богатых комарами местах (правда, мы не знаем, как на него реагируют все группы комаров). Ацетофенон может стать маркером лихорадок Зика и Денге, если использовать для их диагностики не традиционные молекулярные методы, а «электронный нос». — A volatile from the skin microbiota of flavivirus-infected hosts promotes mosquito attractiveness, «Биомолекула»: «Нос и язык, которым нужны батарейки».

Как самцы комаров управляют самками?

Малярия — одно из самых опасных заболеваний для человечества, поэтому исследования биологии комаров рода Anopheles, которые переносят малярийные плазмодии, остаются очень важными. В журнале Nature опубликовано исследование, которое описывает специфичный для самцов A. gambiae половой стероидный гормон. Это открытие перечеркивает предыдущую догму: у насекомых нет специфических для пола стероидных гормонов. Однако 3-дегидро-20-гидроксиэкдизон (3D20E) не только синтезируется у самцов комаров, но и выполняет важную функцию, контролируя половое поведение у самок. После спаривания это соединение (а также белок, который его активирует) передается самке и «выключает» ее доступность для других самцов. Кроме того, 3D20E активирует экспрессию гена MISO, который защищает развитие яиц, несмотря на заражение самки малярийным плазмодием.

Это открытие может стать основой для новых способов борьбы с малярией. Например, оно подтверждает, что внесение в популяцию стерильных самцов снижает популяцию — в том числе и из-за снижения рецептивности самок после спаривания. Кроме того, интересна стратегия имитации эффектов 3D20E у самок-девствениц. — A male steroid controls female sexual behaviour in the malaria mosquito, «Биомолекула»: «Малярия. 15 фактов о болотной лихорадке».

Экология

Рыжего волка может спасти койот

Рыжий волк (Canis rufus) когда-то населял практически всю территорию востока США. Но из-за отстрелов, разрушения местообитания и других причин его популяция сократилась настолько, что сейчас это только небольшая группа животных, которая сохраняется для разведения и возможной интродукции. Однако исчезновение рыжего волка не прошло бесследно. Оказалось, что бóльшая часть исследованных на юго-востоке Луизианы койотов несет в себе аллели от рыжего волка. Вероятно, последние свободные популяции волков попали на эту территорию и стали скрещиваться с койотами. Эта гипотеза подтвердилась генетически. Исследователи прочитали части геномов койотов из этого региона и сравнили с данными от рыжего волка. Гибридизация не просто подтвердилась: она была относительно недавней, вероятно, в 1970-х годах, пока рыжие волки встречались в дикой природе.

Кроме того, койоты с волчьими предками были больше и тяжелее, а для успешной реинтродукции животных это важный фактор. Авторы надеются, что эта находка поможет в сохранении рыжего волка, в том числе для генной терапии, которую можно потенциально использовать, чтобы разнообразить генетический пул этого исчезающего вида. — Reviving ghost alleles: Genetically admixed coyotes along the American Gulf Coast are critical for saving the endangered red wolf, «Биомолекула»: «Геномные технологии в спасении исчезающих видов».