Эволюционная биология

Как рептилии выживают без еды?

Некоторые рептилии способны обходится без пищи долгое время, однако оставалось неясно, как им это удается. Чтобы раскрыть секрет пресмыкающихся, авторы нового исследования сравнили геномы 112 видов, относящихся к разным отрядам этого класса. Оказалось, что у змей, хамелеонов и ящериц Круглоголовок (Phrynocephalus), чье ожидание съестного растягивается на недели и даже месяцы, неактивен биохимический путь, регулирующий ощущение сытости — гены «гормона голода» грелина GHRL и активирующего его фермента MBOAT4 были утрачены или «отключены» мутациями. «Замолкание» этой молекулярной системы, вероятно, сыграло важную роль в адаптации рептилий к нерегулярному питанию. Грелин усиливает ощущение голода, а также облегчает расщепление жиров при нехватке пищи. Его отсутствие могло облегчить переход в режим энергосбережения: снизить мотивацию животных к охоте, а также сохранить запасы жиров, то есть потенциального источника энергии. Вместе с обнаруженными в 2009 году мутациями в митохондриальном геноме, эта особенность создает более подробную картину перестройки энергетического обмена у разных групп пресмыкающихся, способных проводить месяцы в ожидании еды. — Loss of ‘hunger hormone’ has made snakes masters of fasting, Ghrelin and MBOAT4 are lost in Serpentes, «Биомолекула»: «Аппетит как мишень: почему все попытки обуздать ожирение и диабет проваливались, пока не появились агонисты рецепторов инкретинов».

Гребень, который не подойдет для ухода за волосами

Утрата густого волосяного покрова человеком в ходе эволюции сопряжена с развитием особых выростов эпидермиса кожи, направленных в толщу ниже лежащей дермы — гребней (rete ridges). Их формирование — независимый от развития волосяных фолликулов и потовых желез процесс. Однако его, так же как и образование волос и потовых желез, направляют сигналы костных морфогенетических белков (bone morphogenetic proteins, BMP), координирующие взаимодействие слоев кожи. Об этом сообщает недавняя статья в Nature. Исследователи подтвердили значение этих факторов роста при образовании эпидермальных гребней в области подушечек пальцев мыши. Как оказалось, эти структуры формируются в коже разных видов млекопитающих, включая дельфинов и медведей гризли. Ученые предположили, что в ходе эволюции некоторых видов, включая человека, произошло переключение молекулярной программы с формирования волос и желез кожи на эпидермальные гребни и, как следствие, приводило к сокращению волосяного покрова. Важно, что гребни способны заново восстанавливаться в месте раны кожи, как это происходило у новорожденных поросят. По мнению авторов работы, понимание того, как сигналы BMP участвуют в создании сложных структур кожи, позволит разработать методы регенерации после повреждения или болезни. — Rete ridges form via evolutionarily distinct mechanisms in mammalian skin, «Биомолекула»: «Новые подробности из жизни волосяного фолликула».

Палеоантропология

Технологии для выживания в ледниковую эпоху

Ключ к выживанию человечества в эпоху глобального похоладания и оледенения, каким был поздний плейстоцен — теплая одежда и надежное снаряжение, изготовленные из органических материалов. Однако шкуры, волокна и дерево крайне редко сохраняются на месте археологических памятников, что затрудняет изучение технологий того времени. В рамках международного исследования ученые проанализировали 55 органических артефактов из двух крупнейших поселений позднего плейстоцена в северной части Большого Бассейна, применив радиоуглеродное датирование и масс-спектрометрию. Важнейшей находкой стал фрагмент лосиной шкуры возрастом более 12 тысяч лет — древнейший из найденных к настоящему моменту образцов сшитой шкуры. Вместе с ним были обнаружены элементы снаряжения, в частности, веревки из кожи бизона или переплетенных растений. Найденные на месте стоянок костяные иглы с ушком могли использоваться для создания сложной одежды. Вместе эти находки свидетельствуют о системном и изобретательном применении подручных материалов людьми позднего плейстоцена, которое было основано на знании свойств этих объектов. — Complex perishable technologies from the North American Great Basin reveal specialized Late Pleistocene adaptations, «Биомолекула»: «Следствие вели палеонтологи».

Зоопсихология

Бонобо с богатым воображением

Человеческий разум способен на игры «понарошку». Дети с легкостью представляют, что палка — это меч, а пустая чашка полна, хотя знают, что это не так. Но способны ли на подобные ментальные операции другие виды? Не спешите с отрицательным ответом: результаты эксперимента со знаменитым бонобо Канзи, обученным общению при помощи лексиграмм, убеждают в обратном. Сначала Канзи научили выбирать заполненный настоящим соком стакан. Далее для самца адаптировали детскую игру в «чайную церемонию»: ученые показывали ему два стакана, в каждый из которых «наливали» воображаемую жидкость из пустого кувшина, а затем «опустошали» один стакан. Канзи выбрал «полный» стакан в 68% попыток (значительно выше уровня случайного выбора в 50%). Это указывало на то, что бонобо следил за манипуляциями экспериментатора с несуществующим объектом («соком»). Серия контрольных экспериментов опровергла иные возможные объяснения поведения Канзи. Получается, способность создавать вторичные репрезентации (secondary representations; мысленные модели ситуации, отличные от реальности) характерна не только для человека. Ученые предположили, что она существовала у общего с человекообразными обезьянами предка 6–9 млн лет назад и может лежать в основе других сложных когнитивных функций, например, планирования будущего. — Evidence for representation of pretend objects by Kanzi, a language-trained bonobo.

Онкология

Профилактика рака: болеть нельзя избежать?

Почти 38% случаев рака в мире можно было бы предотвратить, устранив определенные факторы риска — таков вывод масштабного исследования, опубликованного в Nature Medicine. Его авторы оценили вклад 30 факторов в заболеваемость 36 типами рака, а не смертность от них, как это было сделано в более ранних работах (кстати, в них показатель потенциально предотвратимых смертей от рака составил 44%). В половине упомянутых 38% случаев опухоль развивалась в легких, желудке или шейке матки. При этом наиболее частыми «виновниками» болезни становились вредные привычки, такие как курение и употребление алкоголя (15% и 3% случаев, соответственно), а также инфекции (10% случаев).

Статистика для женщин и мужчин отличалась и зависела от региона проживания. Так, около 30% женщин могли бы избежать развития рака, для чего проживающим в странах с низким и средним доходом следовало бы внимательнее относится к инфекциям, а в более состоятельных регионах — ограничить курение. У мужчин, для которых этот показатель составил 25%, курение выступило ведущим фактором риска, независимо от места жительства. Таким образом, исследование показало, что не существует единой стратегии профилактики рака. Напротив, эффективная борьба требует понимания локальной эпидемиологии и определения потенциально устранимых угроз для каждой группы населения. — Global and regional cancer burden attributable to modifiable risk factors to inform prevention, «Биомолекула»: «Соревнуясь с раком».

Гайд по избавлению от надоедливого иммунитета при помощи мозга

Коварство рака, кажется, не имеет границ. Статья в Nature описывает механизм, посредством которого сóлидные (плотные, с четкой структурой) опухоли могут «обманывать» мозг, заставляя его подавлять иммунный ответ в месте своего нахождения. Авторы комплексно изучили генетически модифицированные мышиные модели аденокарциномы легких при помощи методов визуализации тканей и транскриптомного анализа единичных клеток и раскрыли звенья злокачественно-порочного круга. Опухолевые сигналы поступали на несущие рецептор Npy2r сенсорные нейроны, по чьим волокнам в составе блуждающего нерва достигали ствола головного мозга. Это активировало симпатические нервные волокна, направляющиеся к легким и выделяющие норадреналин. В легких нейромедиатор связывался с β2-рецепторами на поверхности макрофагов, блокируя их способность уничтожать новообразование. Повреждение данного контура генетическими, фармакологическими или хемогенетическими методами укрепило легочный иммунитет и подавило рост опухоли. По словам исследователей, опухоль «перехватывает» эволюционно древний физиологический контур, вероятно, предназначенный для регуляции гомеостаза или контроля воспаления, и использует его для создания микроокружения, подавляющего противоопухолевые иммунные реакции. — Tumour–brain crosstalk restrains cancer immunity via a sensory–sympathetic axis, «Биомолекула»: «Паразит-виртуоз: раковая опухоль способна расти за счет активности мозга», «Опухолевые разговоры, или Роль микроокружения в развитии рака».

Биофизика

Витамин В₁₂ как антенна для поглощения света

Ряд фундаментальных процессов, включая зрение, циркадные ритмы, фотосинтез, невозможен без участия фоторецепторных белков — стоит фотонам попасть на их светочувствительный компонент, как форма белка изменяется и запускает каскад реакций в клетке. Любопытно, что некоторые бактериальные белки приспособили в качестве «антенны» аденозилкобаламин — одну из активных форм витамина B₁₂. Почему его молекулы обладают таким свойством? Ответы представило новое международное исследование белка CarH, который на свету активирует синтез каротиноидов в бактериальной клетке. Дополнив спектроскопию и методы структурной биологии квантово-химическими расчетами, ученые выстроили хронологию фотоактивации CarH от наносекунд до секунд.

Оказалось, фотоны света разрывали связь между кобальтом и пятым атомом углерода (Со-С5’) в составе рибозного кольца в молекуле аденозилкобаламина (см. рисунок). Освобожденный кобальт образовывал связь с соседним атомом углерода (Co-C4’). Такое промежуточное соединение постепенно распадалось, а вместе с ним — и CarH, который разделялся на четыре мономера. В таком состоянии фоторецепторный белок не мог подавлять экспрессию генов каротиноидов, в результате синтез этих пигментов возобновлялся. Авторы отметили, что полученные результаты могут пригодиться в разработке новых B₁₂-зависимых оптогенетических инструментов, используемых для высокоточного контроля клеточных процессов. — Integrated structural dynamics uncover a new B12 photoreceptor activation mode, «Биомолекула»: «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет».

Микробиология

Чем жертвует бактерия, защищаясь от вируса?

Какими разными ни были про- и эукариотические клетки, появление «врага» вызывает у них схожий ответ — запускает сборку защитных белков в олигомерные комплексы, что следует из новой работы ученых из США. Белок RAZR (ring-activated zinc-finger RNase) находится в бактериальной клетке в виде мономера, представляя неактивную и безопасную для нее форму. Однако при заражении бактериофагом RAZR распознают вирусные кольцевые структуры, образованные рекомбиназой и портальным белком, и формируют вокруг них собственные кольца, по 26 белков-мономеров в каждом. Фаговые рекомбиназа и портальный белок не являются родственными, но образуют структуры схожего диаметра, благодаря чему RAZR обнаруживают их. В составе олигомерного кольца RAZR проявляет неспецифическую рибонуклеазную активность, иными словами, ускоряет разрушение любой РНК, бактериальной и вирусной. Подобный «акт самопожертвования» окупается, поскольку позволяет прекратить дальнейшее производство белков, в том числе необходимых вирусу для образования новых частиц. Таким образом, ключевой сигнал для иммунного ответа прокариота — правильная геометрия мишени, которую создает вторгшийся бактериофаг. — Bacterial immune activation via supramolecular assembly with phage triggers, «Биомолекула»: спецпроект «Бактериофаги».

Альтернатива антибиотикам в борьбе с «поверившим в себя» патогеном

Международный коллектив, ядро которого составили австралийские исследователи, создал антитела, способные противостоять антибиотикорезистентным бактериям in vivo, не нанося вреда клеткам зараженного организма. Молекулярной мишенью для антител стали псевдаминовые кислоты (pseudaminic acids, Pse) — сахара, которые синтезируются только бактериями и входят в состав их поверхностных структур, помогая ускользать от иммунитета. Ученые химически, «с нуля» синтезировали Pse и их комплексы с пептидами, что позволило контролировать пространственную структуру молекул.

Гликопептиды ввели лабораторным животным, а затем выделили образовавшиеся антитела — они распознавали широкий диапозон форм Pse (α- и β-конфигурации), в которых это соединение встречается у разных штаммов бактерий. При этом антитела не уничтожали патоген, а оставляли своеобразную «черную метку», привлекая к нему иммунные клетки. Инъекция антител спасла жизнь зараженным смертельной дозой Acinetobacter baumannii мышам, в то время как их собратья из контрольной группы, не получившие антител, погибли от сепсиса. Следует отметить, что бактерия Acinetobacter baumannii остается одной из опаснейших инфекцией внутри больниц из-за нечувствительности даже к антибиотикам последнего выбора. Поэтому в будущем иммунотерапия на основе антител может стать спасительной терапевтической стратегией. — Uncovering bacterial pseudaminylation with pan-specific antibody tools, «Биомолекула»: спецпроект «Терапевтические антитела».