Эволюция человека, летучих мышей и микробов

Развитие половых клеток человека включает древний вирус

В нашем геноме в виде транспозонов хранятся последовательности ДНК древних вирусов. Старых знакомых увидеть всегда приятно, и эти напоминают о себе постоянно. Без древних вирусов у нас не было бы богатой кровью плаценты; эти транспозоны в целом управляют судьбой зародышевых клеток в эмбрионе человека. То есть во многом они делают наш вид не таким, как все остальные: вероятно, за счет переключения транспозонами разных генов обособился Homo Sapiens. Согласно новой статье, такие транспозоны отделяют первых предшественников половых клеток от остальной клеточной массы. Спустя время эти предшественники будут делиться и давать множество половых клеток, а без них человек вырастет бесплодным. То есть, от безликого древнего вируса зависит и наше размножение. — Human reproduction is regulated by retrotransposons derived from ancient Hominidae-specific viral infections, «Биомолекула»: «Мода на ретро. Где встречается обратная транскрипция, и как она эволюционировала».

Ископаемый краб с огромными и очень сложными глазами

Палеонтологи рассмотрели глаза, наверное, самого зоркого краба — Callichimaera perplexa из Мелового периода (останки обнаружены в Колумбии, возраст 90–95 млн лет). Тогда крабы активно плавали (а современные крабы плавают только на стадии личинки), поэтому им было нужно отличное зрение. Ученые обнаружили, что у фасеточных глаз C. perplexa была отдельная роговица (внешняя жесткая прозрачная ткань). Нервные пучки обрабатывали основную часть зрительной информации прямо в глазах. И они у C. perplexa составляли 16% от всего тела — как если бы у человека глаза были размером с шары для боулинга. Получается, ископаемый краб — рекордсмен по скорости роста глаз. Судя по сложности зрительного аппарата, C. perplexa был хищником и охотился в верхних слоях воды (рис. 1). — The remarkable visual system of a Cretaceous crab, «Биомолекула»: «Разные глаза — разные возможности».

Кишечные бактерии помогают грызунам выжить во время спячки

Спячка — способ пережить самый тяжелый для жизни сезон, в наших широтах — зиму. Для этого млекопитающие перестраивают обмен веществ, запасают питательные вещества. Но все равно во время спячки им недостает азота, потому что он выводится из организма с мочевиной. Азот нужен для белков — они обновляются даже во время спячки. Источник азота нашли в результате исследования спящих сусликов. Оказалось, что их кишечные бактерии перерабатывают азот мочевины. Происходит это в кишечнике, потому что туда выделяется мочевина, когда ее не выводят почки. После выделения азота из мочевины другие бактерии включают его в состав аминокислот. Они всасываются через стенку кишечника и восполняют дефицит азота. Активнее всего такие бактерии работают ближе к концу спячки. — Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season, «Биомолекула»: «Микробные фармацевты внутри нас. Человеческий микробиом — спаситель и убийца».

Когда микроорганизмы разделяют репродуктивный труд

Бывает, что бактерии объединяются в колонии, но каждая размножается самостоятельно. А бывает, что бактерии соединяются в одну нить и начинают разделять работу между собой: пара клеток отвечает за размножение, другие — за питание. Биологи проанализировали, какие факторы подталкивают микроорганизмов к специализации некоторых клеток на размножении, и вывели следующую закономерность. Разделение скорее появится, чем нет, когда выполняются следующие условия: группа клеток небольшая, помощь жизненно важна или переключиться на взаимопомощь легко (не расходует много ресурсов). Например, в нитях цианобактерий выделяются репродуктивные клетки, потому что не хватает азота. Его тяжело добывать, и одни клетки не тратят энергию на размножение, другие — на еду, потому что получат ее от добытчиков. Группа клеток достаточно мала, и вряд ли азот получат случайные халявщики. Наконец, клеткам легко прикрепляться к нити. Ни одно условие не определяет разделение труда — но чем больше этих условий выполняется, тем выше вероятность разделения. Гипотезу предстоит проверить на большой выборке видов. — The evolution of mechanisms to produce phenotypic heterogeneity in microorganisms.

Уникальный путь развития ушной раковины в одной группе летучих мышей

Часть животных из отряда рукокрылых (летучих мышей, крыланов) имеет эхолокацию — они издают ультразвук и по отражению волн чувствуют невидимые глазом объекты. Раньше биологам казалось логичным классифицировать их по этому признаку: в одном подотряде виды с эхолокацией, в другом — без нее. Но филогенетика — анализ генетического родства, который должен отражать общее происхождение — поделила рукокрылых на два других подотряда: Yinpterochiropera и Yangochiroptera. Теперь сравнение слуховых аппаратов 39 видов рукокрылых подтвердило такую классификацию: внутренние уши Yangochiroptera развивались отдельно и имеют особое строение. Такого еще не встречали у других млекопитающих.

Авторы статьи изучили часть внутреннего уха — систему каналов внутри улитки, где волны звука переходят в нервные импульсы. Эти импульсы получает спиральный ганглий и передает их в слуховые центры головного мозга. Все каналы улитки окружены костными пластинками, и у спирального ганглия, который лежит рядом с ними, есть свой костный канал — канал Розенталя. Он закрыт у всех млекопитающих, кроме рукокрылых подотряда Yangochiroptera (рис. 2). Обычно две стенки канала отделяют ганглий от каналов улитки, а третья — от внутреннего слухового прохода, ниши до 1 см длиной, где проходит нерв от слухового и вестибулярного аппаратов. Во внутреннем слуховом проходе в него входят веточки от спирального ганглия. Они проходят через узкие отверстия во внутренней стенке канала Розенталя. Оказалось, что у Yangochiroptera внутренней стенки канала нет, или же на ее месте расположены большие отверстия — фенестры — а сама стенка канала тоньше. Когда для спирального ганглия больше места, появляется больше вариантов его строения, выше плотность нейронов в нем и тонкость слуха. Поэтому эхолокация у Yangochiroptera бывает разной, и может быть точнее, чем у родственников. Освобождение спирального ганглия от внутренней стенки взорвало разнообразие этих рукокрылых несколько десятков млн лет назад. Поэтому сегодня представители подотряда Yangochiroptera составляют 82% от всех эхолоцирующих рукокрылых. — Evolution of inner ear neuroanatomy of bats and implications for echolocation.

Здоровье

Как двухвалентные ионы включают регенерацию кости

После переломов костная ткань заново срастается — регенерирует. Давно известно: двухвалентные ионы магния, меди и цинка стимулируют регенерацию. Это свойство используют при создании биоразлагаемых имплантатов. Но каким путем ионы помогают регенерации, раньше не понимали. Теперь механизм изучили, и он оказался неожиданно сложным. Ионы с помощью макрофагов посылают в гипоталамус сигнал, который тормозит симпатическую нервную систему. В результате остеобласты быстрее строят костную ткань и начинают тормозить остеокласты, которые ее разрушают. Симпатическая система останавливает рост кости, потому что призвана в ответ на стресс тормозить все долгие процессы, чтобы переводить организм в боевой режим. Раз действие двухвалентных ионов подтверждено, их будут чаще использовать в технологиях регенерации. Кстати, лучше всего помогают ионы меди. — Divalent metal cations stimulate skeleton interoception for new bone formation in mouse injury models, «Биомолекула»: «Регенерация на кончиках пальцев».

Кто нарушает кроветворение у курящих людей и пациентов с раком?

В ответ на стресс окончания симпатических нервов выделяют норадреналин — он стимулирует кроветворение. Но часть из них, холинергические симпатические нервы, передают сигнал с помощью ацетилхолина (сигнальной молекулы спокойной, парасимпатической, системы). Когда они активируются в ответ на тяжелую химиотерапию или лучевую терапию, то выделяют в костном мозге ацетилхолин — и тормозят кроветворение. Такое лечение может само по себе убивать клетки, поэтому замедление кроветворения дополнительно вредит здоровью. Это тормозит работу кроветворной системы в тот момент, когда она нужно особенно сильно — после пересадки красного костного мозга. Еще ацетилхолин тормозит кроветворение через никотиновый рецептор клеток-посредников — никотин вредит восстановлению крови. Это подтвердили на мышах и проследили на пациентах: после трансплантации костного мозга курящим людям у них оставался низким уровень тромбоцитов. Авторы считают это вероятным объяснением того, почему после пересадки мозга люди с привычкой курить умирают чаще некурящих. — Cholinergic signals preserve haematopoietic stem cell quiescence during regenerative haematopoiesis, «Биомолекула»: «„...Сообразно с моими силами и моим разумением“ — донорство костного мозга — вклад в здоровое будущее».

Как ультразвук управляет нейронами?

С помощью ультразвука можно управлять активностью нейронов в глубоких слоях головного мозга. Для этого не нужно генетически модифицировать организм или вводить препараты. Вскрывать череп тоже не надо — ультразвук работает на расстоянии. При этом способ довольно точный: погрешность не более 1 мм. Теперь ученые разобрались, почему стимуляция ультразвуком возбуждает нейроны. Направленный ультразвук включает работу механочувствительных кальциевых каналов; эти белки переносят внутрь клетки ионы кальция, когда деформируются. Для возбуждения нейрона достаточно малого количества кальция. После достижения пороговой концентрации ЭПР выделяет много кальция. Есть другие неинвазивные методы стимуляции, магнитная и стимуляция постоянным током, но ультразвук точнее и проникает глубже. — Focused ultrasound excites cortical neurons via mechanosensitive calcium accumulation and ion channel amplification.

Стимуляция нервов восстановила движения у людей с Паркинсоном

Болезнь Паркинсона (БП) нарушает работу базальных ядер мозга. Среди прочих последствий — то, что человек перестает управлять своими движениями, двигается медленнее или даже шевелится с трудом. Базальные ядра при БП замедляют движения через особые скопления нейронов — pedunculopontine nucleus (PPN) — которые напрямую отвечают за торможение. Поэтому исследователи попробовали вернуть движения людям с БП, постимулировав работу PPN — в обход нарушений в базальных ядрах. Раньше уже пробовали делать это электродами и препаратами, но получали плохой результат. Авторы новой статьи предположили: прошлые попытки оказались неуспешны из-за неоднородности PPN — одни его нейроны получают только тормозящие химические сигналы и тормозят движения, вторые получают сигналы через другие молекулы и стимулируют движение. Ток мог действовать на все сразу, поэтому и не помогал. Для проверки гипотезы исследователи стимулировали только глутаматергические нейроны в той области PPN, откуда они активируют движения (такие же нейроны в других частях ядра тормозят его). С помощью света и светочувствительных молекул удалось включить только нужные нейроны. Это восстановило двигательную активность мышей в обход других симптомов БП. Результат важный, но пока его тяжело воспроизвести. Если дело в точности стимуляции, то это поправимо. — Targeted activation of midbrain neurons restores locomotor function in mouse models of parkinsonism, «Биомолекула»: «Болезнь Паркинсона: что изучать? как изучать?».

Носовые капли ослабляют страх

Установлено, что когда пептид CGRP, схожий с гормоном кальцитонином, попадает в мозг мыши, она хуже запоминает страх. Поэтому он мог бы помогать людям с посттравматическим стрессовым расстройством, но вводить его в мозг людям нецелесообразно. Поэтому авторы статьи решили доставить CGRP в мозг через носовую полость. Судя по последним данным, препараты отсюда попадают в головной мозг напрямую: минуют кровеносную систему — и даже гематоэнцефалический барьер. CGRP достиг гиппокампа, который управляет эмоциями и памятью, за 30 минут. Авторы статьи проверили, как это влияет на память о страхе: после электрических разрядов вводили мышам CGRP и следили за уровнем белка Npas4. У мышей после введения CGRP уровень Npas4 был в два раза выше — они хуже запоминали страх от электрошока. От лечения, как от других пептидов, которые вводят через носовую полость, появляется побочный эффект — светобоязнь. — Intranasal calcitonin gene-related peptide administration impairs fear memory retention in mice through the PKD/p-HDAC5/Npas4 pathway, «Биомолекула»: «Химические модуляторы памяти».

Носовые капли лечат болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера (БА) развивается из-за накопления в мозге белка β-амилоида в виде бляшек и тау-белка в нейронах в виде нейрофибриллярных клубков. Результат — деменция. БА долго пытались лечить, удаляя опасные белки из мозга; получалось плохо. Но недавно ученые обратили внимание на то, что нейроны при БА устойчивы к сигналам гормона инсулина. Это важно, ведь инсулин управляет синтезом β-амилоида, стимулирует очистку мозга от него и останавливает сборку тау-белка в клубки. Еще инсулин через разные клетки тормозит воспаление в мозге, стимулирует выживание и развитие клеток. Поэтому сейчас медики разрабатывают новое лечение БА: они доставляют инсулин в мозг с помощью носовых капель. Уже закончили II фазу клинических испытаний и делятся результатами 18-месячной терапии. Проверяли лекарство на двух группах пациентов с тяжелой БА: в одной давали капли с инсулином, в другой — плацебо. В ходе лечения деменция пациентов с инсулином постепенно ослабевала. Это проверяли тестированием памяти и с помощью других интеллектуальных задач. Еще лечение каплями с инсулином предотвратило разрушения, связанные с избыточным воспалением. Капли с инсулином не помогли пациентам с легкой амнезией — получается, они действуют точно на БА. Если на III фазе клинических испытаний эффективность капель подтвердят на выборке побольше, то станет можно лечить даже самые запущенные формы БА. — Intranasal insulin modulates cerebrospinal fluid markers of neuroinflammation in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease: a randomized trial, «Биомолекула»: «Клинические исследования».

Почему худоба повышает риск смерти после операций на сердце сильнее, чем ожирение?

Ожирение повышает риск болезней кровеносной системы. Но в кардиохирургии худые люди после операций погибают чаще, чем пациенты с лишним весом и даже ожирением (это видно на графике, рис. 3). Такой эффект назвали «парадоксом ожирения». Чтобы найти его причину, в статье проанализировали работу генов в тканях сердца пациентов, прошедших операцию коронарного шунтирования. Их разделили на 3 группы по индексу массы тела (ИМТ) и сравнили показатели (рис. 3). Оказалось, что у худых людей (ИМТ менее 25) повышен уровень α-кетоглутарата, посредника в обмене аминокислот. У людей с нормальным ИМТ подавлены синтез белка (это видно по уровню рибосомных белков) и обмен липидов. Зато у таких людей активнее гены, кодирующие сократительные белки. У людей с избыточным весом и ожирением (ИМТ выше 32) активнее синтез холестерина в печени и врожденный иммунитет, то есть воспаление в их случае опаснее. Еще у пациентов с ожирением повышен уровень ацилкарнитинов — они помогают вырабатывать энергию в митохондриях — и рибозо-5-фосфата, промежуточного соединения в энергетическом обмене клетки. Но длинные молекулы ацилкарнитинов были гидроксилированы — это признак поломок в работе митохондрий. Эти данные пока не объясняют парадокс ожирения; нужно проверять причинно-следственную связь. Кстати, еще этот парадокс работает со смертностью от острого коронарного синдрома, сердечной недостаточности и среди пациентов на диализе. — Gene and metabolite expression dependence on body mass index in human myocardium, «Биомолекула»: «Коварная стройность и безопасная полнота: метаболический синдром и сахарный диабет вне обычных границ индекса массы тела».

Растения: молекулярка, биотехнологии и симбиоз

Грибы предлагают симбиоз, только когда это нужно партнеру

В статье рассмотрели типичный симбиоз гриба и растения, где гриб снабжает партнера минералами, в особенности фосфатами, через корни (в обмен на растительные сахара). При этом нити гриба проникают внутрь клеток растений. Это выглядит агрессивно, поэтому люди часто задавались вопросом, не принуждает ли гриб партнера к симбиозу. Оказалось, что нити гриба стремятся только к растениям, которым не хватает фосфатов. В условиях дефицита они вырабатывают сигнальные молекулы стиголактона — они и привлекают нити гриба. На клетках корней появляется рецептор, который стыкуется с грибными нитями, и начинается производство белка-переносчика соединений для обмена между симбионтами. Без сигнала стиголактона гриб к корням не приближается. Проверяли это на рисе, но с бобовыми должно работать так же. Если говорить о сельском хозяйстве, такое сотрудничество — главный залог урожая. — PHOSPHATE STARVATION RESPONSE transcription factors enable arbuscular mycorrhiza symbiosis, «Биомолекула»: «Модельные организмы: грибы».

Самая дешевая ферма по производству биотоплива

Топливо из водорослей хорошо тем, что его легко возобновлять. Но пока его производство — выращивание водорослей или цианобактерий — слишком дорогое. Когда цианобактерия Synechococcus elongatus начинает размножаться, то вода в реакторе мутнеет и перестает хватать света — рост останавливается на малой плотности биомассы. Еще такую мелкую биомассу трудно отделять от среды, в которой она растет. Обе проблемы решает технология, о котором идет речь в новом исследовании. Искусственный интеллект сам следит за плотностью цианобактерий и запускает сбор урожая при определенной мутности воды. Происходит это просто: в среду добавляют лимонен; из-за него клетки сами слипаются и оседают, то есть их не нужно потом отделять. Искусственный интеллект дополнительно удешевляет производство: он подстраивает программу под реальное освещение и снижает затраты на персонал. Производительность системы в 1,7 раза превышает цель Минэнергетики США на 2022 год: тонна такого топлива стоит $281. Вдобавок новая система может выращивать корм для животных и некоторые пищевые добавки. — Machine learning-informed and synthetic biology-enabled semi-continuous algal cultivation to unleash renewable fuel productivity, «Биомолекула»: «Биотопливо из отходов».

Скромная сексуальная жизнь цветковых растений

Половое размножение цветковых растений (к примеру, лиственных деревьев) — это не просто оплодотворение одной гаметы другой. В пыльцевом зерне проходит ускоренное развитие промежуточное поколение; гаметофит — это несколько клеток, которые дают гаметы, спермии и вспомогательные клетки для оплодотворения. Клетки гаметофита имеют одинарный набор генов, потому что образуются в результате мейоза. Их задача — подготовить гаметы с одинарными наборами, которые сольются с другими гаметами, и на этом жизнь гаметофита закончится. У других растений он занимает больше места в жизненном цикле, но в ходе эволюции цветковые все упростили. Так вот, в новом исследовании определили, насколько полноправен гаметофит в пыльце кукурузы и когда выключается давление основного поколения — спорофита. Это смотрели по работе генов (точнее, по преобладанию мРНК — инструкций, считанных с ДНК): когда работают оба варианта гена, значит, жизнью клеток управляет спорофит, когда один вариант — гаметофит. Выяснили, что первые 11 дней после мейоза работают оба варианта генов. Затем клетки гаметофита начинает делиться обычным митозом, чтобы сформировать спермии, и работа генов резко переключается. То есть первую половину жизни гаметофита спорофит управляет почти всеми процессами. На самом деле, гаметофиту это выгодно: если включать свои гены до деления, то выше риск мутаций. До первого митоза мутации особенно опасны, потому что они будут в первых клетках и перейдут ко всем дочерним. Вторую половину существования гаметофит сам себе хозяин, и его конкуренция с другой пыльцой — важный этап естественного отбора. — Gametophyte genome activation occurs at pollen mitosis I in maize.

Как устроена клетчатка в разных растениях: от дерева до травы (осторожно, молекулярка!)

Растительная клетчатка всегда собрана из целлюлозы и лигнина, но может быть и гибкой, и жесткой, как в коре дерева. Различие — в других компонентах, их пропорциях и том, как они собраны. Теперь это изучили на молекулярном уровне. Начнем с начала. Целлюлоза — это длинные жесткие волокна, собранные из цепочек глюкозы, на рисунке они выглядят как белая арматура. Ксиланы, маннаны — очень разные по составу гибкие цепочки сахаров. Они вольно сшивают разные компоненты клетчатки. Лигнин — это полифенол, то есть бензольные кольца, соединенные углеводными цепочками. Из-за этих колец лигнин гидрофобен — не пропускает воду. По крайне мере, так считалось до последнего времени. В новой статье показали, что в клетчатке хвойных деревьев лигнин смешан с полисахаридами — и поэтому даже связывает молекулы воды. Оказалось, что в травянистых растениях компоненты одного типа сшиты между собой отдельно от других: целлюлоза с целлюлозой, лигнин с лигнином. И у молекул лигнина достаточно места, чтобы объединяться друг с другом. В общем, такая клетчатка более раскрепощена. А в древесине лигнин соединяется с любыми ксиланами — клетчатка более плотная и жесткая, потому что все сшито между собой. Авторы статьи изучили связи в разных типах клетчатки и хотят использовать это свойство для переработки растений в биотопливо. — Carbohydrate-aromatic interface and molecular architecture of lignocellulose.

Удачи, и до следующего дайджеста!