Эволюция

Какими были первые двуногие родственники обезьяны

Что отделило человеческую родословную от шимпанзе где-то между десятью и шестью миллионами лет назад? Первые ученые, изучавшие происхождение нашего вида, предположили, что к эволюции человека привело увеличение мозга. Однако открытия окаменелостей почти вековой давности в Африке указывают на способность ходить на двух ногах (прямохождение) и, возможно, на несколько более низкое качество питания по сравнению с питанием шимпанзе, как на первые отличительные черты самых ранних гоминидов (виды ближе к людям, чем к шимпанзе). Тем не менее, многое о первых гоминидах и их эволюции остается загадкой. Был ли последний общий предок человека и шимпанзе похож на шимпанзе, гиббона, обезьяну — или на что-то совершенно другое? Возникло ли прямохождение до, во время или после разделения человека и шимпанзе? В своей статье авторы представили ископаемые свидетельства, помогающие ответить на некоторые из этих вопросов. Исходный материал состоял из одной левой бедренной кости и двух — правой и левой — локтевой костей. Морфология бедренной кости наиболее сходна с привычными двуногим, а локтевые кости сохраняют признаки существенного древесного поведения. Таким образом, эти находки предполагают, что гоминины уже были двуногими около 7 млн лет назад — но также предполагается, что лазание по деревьям, вероятно, оставалось значительной частью их жизни. — Postcranial evidence of late Miocene hominin bipedalism in Chad, «Биомолекула»: «Ищем питекантропа!».

Эволюционные хитросплетения: что общего у животных и грибов?

Одним из самых удивительных ранних открытий молекулярной филогенетики была тесная эволюционная связь между животными и грибами, которая кажется такой неожиданной из-за огромных различий в их морфологии и экологии. Эта связь выдержала испытание временем, и теперь животные и грибы являются членами Holozoa — группы организмов, которая включает животных и их ближайших одноклеточных родственников, но не включает грибы, и Holomycota — грибов и всех других организмов, более близких к грибам, чем к животным, которые вместе являются двумя основными подразделениями эукариотической супергруппы Заднежгутиковые (Opisthokonta). Но как именно эволюционировали животные и грибы, чтобы стать такими разными? Авторы реконструировали траекторию генетических изменений с момента расхождения Opisthokonta на Эуметазоев, или настоящих многоклеточных (Metazoa), и Грибов (Fungi) с набором данных, который включает четыре новых генома с ключевых позиций в филогении Opisthokonta. Они показали, что животные возникли только после накопления генов, функционально важных для их многоклеточности. Напротив, догрибковые предки испытали потери большинства функциональных категорий. На широкомасштабном функциональном уровне геномы грибов содержат более высокую долю метаболических генов и меньше отличаются от последнего общего предка Opisthokonta, чем репертуары генов многоклеточных. Metazoa и Fungi также демонстрируют различия в отношении механизмов получения генов. У многоклеточных более распространено слияние генов, в то время как у грибов и простейших большая часть прироста генов появилась благодаря их горизонтальному переносу. Результаты работы показывают, что животные и грибы развивались по двум противоположным траекториям генетических изменений, которые предшествовали возникновению обеих групп. Таким образом, постепенное установление двух четко дифференцированных геномных контекстов подготовило почву для появления Metazoa и Fungi. — Divergent genomic trajectories predate the origin of animals and fungi.

Пищевые цепи прошлого, настоящего и будущего с помощью машинного обучения

Возможно, не так уж и удивительно, что высшие хищники, такие как киты, акулы, леопарды и тигры, являются самыми редкими видами. Во многом это связано с несовершенной передачей энергии через каждый уровень пищевой цепи, что делает этих хищников более восприимчивыми к голоданию, чем травоядных, детритофагов или всеядных. Их выживание также зависит от наличия большого домашнего ареала, на котором они могут бродить повсюду в поисках партнеров и ресурсов, необходимых для поддержания их популяции. Эти особенности делают их особенно уязвимыми для деятельности человека, которая может провоцировать потерю среды обитания или истребление особей охотниками. Авторы работы использовали подход на основе компьютерной сети, чтобы установить, как именно люди повлияли на популяцию высших хищников и другую фауну млекопитающих за последние 130 000 лет. — Collapse of terrestrial mammal food webs since the Late Pleistocene.

Тайна искрящейся воды

В 18 веке французский естествоиспытатель Годэу де Ривиль плыл по Индийскому океану — и наткнулся на замечательное зрелище. Море «было покрыто мелкими звездочками; каждая волна, разбивавшаяся о нас, рассеивала самый яркий свет», — вспоминал он в своем дневнике. Когда де Ривиль исследовал воду в свой микроскоп, он обнаружил, что «маленькие звезды» были крошечными ракообразными, теперь известными как остракоды. Спустя столетия, в 1980 году, морской биолог Джеймс Морин занимался подводным плаванием сразу после захода солнца на Виргинских островах — и заметил ярко-синие точки, мигающие в нескольких метрах от них. Когда он посветил фонариком на воду, то увидел множество остракод, пролетающих над его лучом. После нескольких погружений он понял, что вспышки не были случайными. Остракоды светились особым образом в пространстве и времени, подобно вспышкам ухаживания светлячков, которые освещают летние луга. Это осознание изменило ход карьеры Морина.

В настоящее время почетный профессор Корнельского университета, Морин провел последние четыре десятилетия, работая с небольшой группой преданных своему делу коллег, чтобы разгадать тайны того, что они называют «самым захватывающим чудом природы, которое большинство людей никогда не увидит». Самцы остракод проявляют себя всего на час, вскоре после захода солнца, в безлунные ночи в теплых Карибских морях. Большинство дайверов-любителей не ныряют ночью, а те, кто все-таки использует свет, провоцируют существ «выключать» собственное свечение.

Остракоды размером с песчинку изобилуют в пресной и соленой воде. «Они очень милые, но в то же время немного странные — как нечто среднее между крабом и крошечным космическим кораблем», — говорит Тимоти Фэллон, биохимик-эволюционист из Калифорнийского университета (UC) в Сан-Диего. Биолюминесцентными являются только морские остракоды, и светятся не их тела. Скорее они извергают светящуюся слизь. В большинстве мировых океанов остракоды делают это для защиты — чтобы напугать и отвлечь потенциальных хищников. Но в Карибском море, и только в Карибском море, как обнаружили Морин и его коллеги, эти ярко-синие точки могут выступать в роли брачных сигналов. Сегодня, спустя тысячи погружений, они считают, что эти сигналы заставили карибских остракод диверсифицироваться и образовать более 100 видов. С помощью современных генетических инструментов они использовали этих существ для изучения факторов, разделяющих виды, включая половой отбор, обусловленный предпочтениями самок, географической изоляцией и накоплением случайных генетических изменений. Всего за последние два года исследователи выяснили, что возможность выращивать остракод в лаборатории позволит им анализировать молекулярные механизмы эволюции способом, который когда-то был возможен только для более традиционных лабораторных животных, таких как нематоды и плодовые мушки. — Sparkling waters.

Онкология

Нокаут RASA2: еще один успешный шаг в развитии Т-клеточной терапии рака

Несмотря на многообещающие результаты, которые демонстрируют трансгенные клетки, несущие Т-клеточный рецептор (TCR) в клинических исследованиях лечения солидных опухолей на ранней стадии, многие виды рака не реагируют на современные методы лечения Т-клетками или быстро прогрессируют после первоначального ответа. Эффективность Т-клеточной терапии для лечения рака может быть ограничена подавляющими сигналами как от внешних факторов, так и от внутренних ингибирующих контрольных точек. Целевое редактирование генов может преодолеть эти ограничения и улучшить терапевтическую функцию Т-клеток. В своей работе авторы провели несколько полногеномных скринингов нокаутов, полученных с помощью CRISPR, при различных иммуносупрессивных состояниях, чтобы идентифицировать гены, которые могут быть нацелены на предотвращение дисфункции Т-клеток. Результаты скринингов привели исследователей к белку RASA2, активирующем ГТФазу RAS (RasGAP). Инактивация RASA2 усиливала передачу сигналов MAPK и цитолитическую активность Т-клеток химерного антигенного рецептора (CAR) в ответ на антиген-мишень. Повторная стимуляция опухолевого антигена in vitro показала, что RASA2-дефицитные Т-клетки проявляют повышенную активацию, продукцию цитокинов и метаболическую активность по сравнению с контрольными клетками и демонстрируют заметное преимущество в стойком уничтожении раковых клеток. В работе Т-клетки CAR с нокаутом по RASA2 обладали конкурентным преимуществом в приспособленности по сравнению с контрольными клетками в костном мозге в мышиной модели лейкемии. Удаление RASA2 в нескольких доклинических моделях терапии Т-клеточным рецептором и CAR Т-клетками продлевало выживание у мышей, которым ксенотрансплантировали либо жидкие, либо солидные опухоли. В совокупности эти результаты подчеркивают, что белок RASA2 является многообещающей мишенью для повышения как стойкости, так и эффекторной функции Т-клеточной терапии для лечения рака. — RASA2 ablation in T cells boosts antigen sensitivity and long-term function, «Биомолекула»: «Генная терапия против рака», «Способны ли CAR-Т-клетки уничтожить опухоль?».

Нейробиология

Где и как формируются наши воспоминания

Известно, что гиппокамп содержит энграммные клетки, которые играют ключевую роль в кодировании и извлечении воспоминаний. Они обычно идентифицируются по экспрессии транскрипционного фактора Fos в процессе кодирования воспоминаний, и их синхронная активация может запускать надежный ответ памяти. Появляется все больше свидетельств того, что нейроны, определяемые экспрессией Fos, несут информацию о контексте, которую можно использовать для формирования устойчивых ассоциаций, например, между определенной средой и неприятным результатом. Кроме того, гиппокамп содержит нейроны места, которые кодируют пространственные карты окружающей среды и, как считается, поддерживают пространственную память и навигацию. Несмотря на известную роль как энграммных нейронов, так и нейронов места в формировании воспоминаний гиппокампа, удивительно мало известно об отношениях между этими клетками. Авторы работы постарались прояснить паттерны нейронной активности, которые управляют экспрессией Fos в гиппокампе мышей и отвечают за пространственную память. Результаты показывают, что связь между нейронной активностью и Fos является двунаправленной. Fos-индуцированные клетки вносят вклад в процесс пространственного кодирования в гиппокампе, кодируя точные, стабильные и пространственно однородные карты, и что сам Fos играет важную роль в этом процессе. Таким образом, ансамбли Fos могут связывать два ключевых аспекта функции гиппокампа: формирование контекстуальных воспоминаний энграммными клетками и пространственное кодирование нейронами места, лежащее в основе формирования когнитивных карт. — Fos ensembles encode and shape stable spatial maps in the hippocampus.

Встроенный навигатор млекопитающих и его многофункциональность

Реальный мир постоянно динамично меняется, требуя от людей и других животных быстрого переключения между различными режимами поведения. Например, когда дикий грызун ищет пищу, ему иногда нужно избегать хищников и решать, в какую нору бежать, поэтому он динамически переключается между поиском пищи, избеганием хищников и принятием решений. Однако нейронная основа поведения обычно изучается, когда животное выполняет одну поведенческую задачу за один раз, и мало известно о том, как мозговые цепи быстро переключаются между различными естественными видами поведения. Навигация — это сложное динамическое естественное поведение, которое позволяет тестировать поведенческие переключатели. Она требует, чтобы животное понимало собственное местоположение в пространстве, а также обращало внимание на внезапные события, такие как появление неожиданных препятствий, хищников или сородичей, то есть умело оценивая расстояние до «вещей снаружи». Положение животного кодируется нейронами места гиппокампа, однако это кодирование изучалось в основном в пустых стационарных установках, которые не имитируют богатую динамику реальной среды. Авторы решили исследовать, как краткие естественные переключения внимания на «вещи снаружи», необходимые для навигации в реальной жизни, влияют на отображение пространства в гиппокампе во время навигации. В эксперименте две летучие мыши летели вместе в длинном 135-метровом туннеле и переключались между навигацией при одиночном полете (соло) и предотвращением столкновений, когда они пролетали мимо друг друга (кроссовер). Авторы стремились проверить несколько гипотез относительно того, как цепи гиппокампа могут кодировать положение и расстояние до «предметов снаружи» во время динамической навигации: (1) активность гиппокампа всегда кодирует только положение; (2) активность гиппокампа переключается между представлениями только о положении и только о расстоянии; (3) активность гиппокампа всегда объединяет информацию о положении и расстоянии; (4) активность гиппокампа переключает свои основные вычисления для отображения соответствующих поведенческих переменных, поддерживая поведенческую гибкость. В эксперименте летучие мыши увеличивали частоту щелчков эхолокации перед каждым переходом, указывая на внимание к другой летучей мыши. Во время кроссинговера нейроны быстро переключались, чтобы совместно отображать расстояние между летучими мышами по собственному положению. Это нейронное переключение было очень быстрым — всего за 100 мс. Таким образом, результаты исследования наиболее согласуются с гипотезой 4. — Natural switches in behaviour rapidly modulate hippocampal coding, «Биомолекула»: «Пазл магнитного компаса птиц».

Чтение мыслей во время сна по движению глаз

Вы когда-нибудь замечали, что у некоторых людей во время сна глаза быстро двигаются под веками? Связанные со сном быстрые движения глаз происходят во время особой фазы сна, называемой быстрым сном, которая связана с яркими сновидениями. Но связаны ли эти движения глаз с содержимым сознания в этом состоянии сна? Демонстрируют ли эти движения сдвиги взгляда в виртуальной среде сновидений или просто отражают случайную активность ствола мозга? Авторы работы использовали систему направления головы таламуса мыши, популяцию нейронов, активность которых сообщает бодрствующим мышам об их фактическом положении головы, когда они исследуют окружающую среду, а у спящих мышей — их виртуальному положению головы. Авторы обнаружили, что у мышей направление и амплитуда быстрых движений глаз кодировали направление и амплитуду движения мышей в их виртуальной среде во время быстрого сна. Таким образом, быстрые движения глаз действительно отражают сдвиги взгляда в виртуальном мире быстрого сна, тем самым открывая окно в когнитивные процессы спящего мозга. — A cognitive process occurring during sleep is revealed by rapid eye movements, «Биомолекула»: «Спят усталые игрушки: о регуляции сна и роли орексина в этом процессе».

Не такой как все: слабые места прогностического моделирования в нейробиологии.

Метод прогностического моделирования широко применяется в биологических науках и использует существующие наборы данных для прогнозирования будущих результатов. Он был применен к когнитивной нейробиологии в попытке определить взаимосвязь между моделями активности мозга и различными когнитивными и поведенческими чертами. Индивидуальные различия в функциональной организации мозга отражают ряд черт, симптомов и моделей поведения. До сих пор работа по моделированию линейных взаимосвязей между мозгом и фенотипом предполагала, что одна такая взаимосвязь характерна для всех людей, но модели не работают одинаково хорошо у всех участников. В своей работе авторы систематически охарактеризовали случаи, когда прогностические модели не могут дать точных прогнозов в когнитивной нейробиологии, и показали, что эта неудача неслучайна. Скорее, это имеет место для определенных групп людей независимо от набора данных — групп, которые не являются средними. Это можно интерпретировать как демонстрацию того, что в когнитивной нейробиологии прогностическим моделям не хватает методологической надежности. Лучшее понимание того, у кого модели терпят неудачу и почему, имеет решающее значение для выявления надежных, полезных и объективных взаимосвязей между мозгом и фенотипом. С этой целью авторы связали активность мозга с фенотипом, используя прогностические модели — обученные и протестированные на независимых данных, чтобы обеспечить возможность обобщения — и исследовали отказ модели. Они обнаружили, что модели отражают стереотипные профили и терпят неудачу, когда применяются к людям, которые их игнорируют. Эти результаты подчеркивают подводные камни универсального подхода к моделированию и влияние предвзятых фенотипических показателей на интерпретацию и полезность полученных моделей «мозг—фенотип». Исследование представляет основу для решения этих проблем, чтобы такие модели могли выявить нейронные цепи, лежащие в основе конкретных фенотипов, и в конечном итоге определить индивидуализированные нейронные мишени для клинического вмешательства. — Brain–phenotype models fail for individuals who defy sample stereotypes.

Молекулярная биология

ДНК дизайн у млекопитающих

Одной из важных целей синтетической биологии является создание сложной многоклеточной жизни с помощью спроектированных последовательностей ДНК. Возможность манипулировать ДНК в больших масштабах, в том числе на уровне хромосом, является важным шагом на пути к этой цели. Хромосомная инженерия была успешно продемонстрирована на примере дрожжей, но остается сложной задачей для высших эукариот, включая млекопитающих. В своей работе авторы применили редактирование генов к гаплоидным эмбриональным стволовым клеткам и добились лигирования целых хромосом у мышей, создав новые кариотипы в лаборатории. В работе объединили две самые большие мышиные хромосомы, хромосомы 1 и 2, и две хромосомы среднего размера, хромосомы 4 и 5. Конформация хроматина и дифференцировка стволовых клеток были затронуты минимально. Однако кариотипы, несущие слитые хромосомы 1 и 2, приводили к остановке митоза, полиплоидизации и эмбриональной летальности, тогда как слитая хромосома меньшего размера, состоящая из хромосом 4 и 5, могла передаваться гомозиготному потомству. Авторы успешно получили животных с 19 парами хромосом, что на одну пару меньше, чем обычно характерно для этого вида. Такие результаты, несомненно, предполагают возможность успешной инженерии на уровне хромосом у млекопитающих. — A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion, «Биомолекула»: «Синтетическая хромосома».

Клеточная биология, эмбриология

Новые синтетические эмбрионы мыши выращены в лаборатории

То, что происходит в эмбриональном развитии, является одним из самых охраняемых секретов природы. Теперь исследователи открыли новое окно в этом процессе. Они создали искусственные мышиные эмбрионы из стволовых клеток — сперматозоиды и яйцеклетки для этого не требуются — и использовали инновационный биореактор, чтобы выращивать свои творения дольше, чем любые предыдущие модели эмбрионов. Ранее в этом месяце исследователи сообщили, что путем смешивания трех типов эмбриональных стволовых клеток мышей были получены так называемые эмбриоиды, которые воспроизводят первые 8,5 дней развития животных. Используя аналогичный рецепт, другая группа создала эмбриоиды мыши, которые очень похожи на настоящие эмбрионы. У эмбриоидов были рудиментарные мышцы, растущий мозг и зачатки бьющегося сердца. Данное исследование добавляет изюминку тем, что включает в работу стволовые клетки, в которых отсутствует ключевой ген. Предполагается, что генетически измененные эмбриоиды помогут исследователям изучить, как определенные гены формируют развитие. — Synthetic embryos complete gastrulation to neurulation and organogenesis, «Биомолекула»: «Такие разные стволовые клетки», «Путешествие во времени: как судьба первых клеток эмбриона влияет на его дальнейшее развитие и риск заболеваний».

Биофизика

«Пористая» вода для связывания газов

Все газы в той или иной степени взаимодействуют с водой. Тем не менее, их концентрация в воде невелика — часто значительно ниже, чем в органических растворителях. Однако возможность увеличивать концентрацию газов в водных растворах значительно улучшила бы устойчивость многих химических процессов и стратегий накопления энергии. В частности, способность растворять большие количества кислорода или углекислого газа в водном растворе была бы большим достижением для биомедицинских приложений. В своей статье авторы рассказывают о способе создания постоянных пор в воде, что существенно увеличивает ее способность растворять газы. Они показали, как химический состав внешней и внутренней поверхности нанокристаллов микропористого цеолита и металлоорганического каркаса (MOF) могут быть адаптированы для обеспечения образования стабильной степени дисперсности в воде при сохранении сухой сети микропор, доступных для молекул газа. Суспензии, которые они получили, могут переносить гораздо больше кислорода, чем кровь. Такая «пористая вода» открывает путь к препаратам на водной основе для биомедицинского использования. — Microporous water with high gas solubilities.

Танец наночастиц

Тот факт, что свет может перемещать материю, не должен никого удивлять. Ученые рассматривают это явление с 1619 года. Именно тогда Иоганн Кеплер предположил, что хвосты комет направлены в сторону от Солнца из-за силы, действующей на них со стороны солнечного света. К 1970-м годам ученые выяснили, как использовать лазерные лучи, чтобы толкать, тянуть и улавливать нано- и микрообъекты. Используя те же физические принципы, свет также может вызывать взаимодействия между частицами, которые в противном случае не «чувствовали бы» присутствие друг друга. В своей статье авторы сообщают об экспериментальной демонстрации взаимодействия между двумя наночастицами кремнезема, подвешенными в вакууме, индуцированного светом. Кроме того, они показывают, что улавливающие лазерные лучи могут использоваться в качестве контроля для настройки формы и силы связи в этом процессе. — Two nanoparticles dancing as a pair.