Генетика

Истоки употребления молока раскрыты благодаря геномам жителей Южной Азии

Южная Азия, где молочные продукты играют важную роль в рационе, помогла ученым лучше понять, как у людей появилась способность переваривать молоко во взрослом возрасте. Обычно фермент лактаза, расщепляющий молочный сахар, активно вырабатывается только в детстве, и большинство взрослых испытывают проблемы с перевариванием молока. Однако у части людей эта способность сохраняется — это называется устойчивостью лактазы.

Долгое время считалось, что соответствующие гены распространились потому, что молоко давало эволюционное преимущество. Но археологические и генетические данные показывают, что люди употребляли молочные продукты задолго до широкого распространения этих генов, вероятно, в ферментированном виде.

Новое исследование геномов современных и древних жителей Индии, Пакистана и Бангладеш показало: в большинстве регионов Южной Азии устойчивость лактазы распространилась в основном вместе с мигрантами-скотоводами, а не из-за естественного отбора. Это резко отличается от Европы, где гены устойчивости лактазы испытывали сильное селективное давление.

Исключением стали две скотоводческие группы — тода в Южной Индии и гуджары в Пакистане. У них ген устойчивости лактазы распространялся крайне быстро, что говорит о сильнейшем эволюционном преимуществе, связанном с зависимостью от молочного животноводства.

В итоге исследование показывает: способность взрослых переваривать молоко действительно давала большое преимущество, но прежде всего тем обществам, чья жизнь напрямую зависела от скотоводства. Это помогает точнее понять, как культура и образ жизни влияли на эволюцию человека. — Roots of milk drinking revealed by South Asian genomes, «Биомолекула»: «Молоко, простокваша и молочнокислые бактерии».

Ящерицы сохраняют или теряют разнообразие окраски благодаря взаимодействию генетики, отбора и генетической пластичности

Почему внутри одного вида сохраняются разные варианты окраски, формы тела или поведения — давний вопрос эволюционной биологии. Казалось бы, естественный отбор должен со временем «выбрать» один самый удачный вариант, а все остальные исчезнут. Но в реальности разнообразие признаков встречается повсюду — от растений до животных.

Еще в XX веке генетик Теодосий Добжанский предположил, что такое разнообразие может поддерживаться особым механизмом — балансирующим отбором. В этом случае ни один вариант признака не становится единственно доминирующим: разные формы оказываются полезными в разных условиях или ситуациях. Долгое время эту идею было трудно подтвердить экспериментально, но со временем ученые накопили все больше свидетельств того, что балансирующий отбор действительно работает.

Проблема в том, что сохранение разнообразия редко зависит от одного фактора. Обычно это результат сложного взаимодействия генов, внешнего облика организма и окружающей среды, которые постоянно меняются. Из-за этой сложности такие процессы трудно уловить и изучить напрямую.

Новые исследования, опубликованные в журнале Science, показывают, как именно эти механизмы могут действовать на практике, например, управляя появлением, сохранением и исчезновением разных вариантов окраски у ящериц. Эти работы помогают понять, почему эволюция не всегда ведет к единообразию и как разнообразие может быть не исключением, а устойчивым состоянием живых систем. — Divergent destinies of polymorphism.

Генетика, онкология

Генетическая устойчивость к лейкемии

С возрастом в клетках нашего тела накапливаются ошибки в ДНК — так называемые соматические мутации. Они не передаются по наследству, но могут появляться и накапливаться в тканях на протяжении всей жизни. Современные методы секвенирования ДНК научились замечать такие изменения на очень ранних стадиях, даже у внешне здоровых людей.

Особенно важны мутации в стволовых клетках и предшественниках клеток. Если такая мутация дает клетке преимущество в росте или выживании, она начинает активно размножаться, образуя «клон» похожих клеток. В крови этот процесс называют клональным гемопоэзом. Он сам по себе не является болезнью, но связан с повышенным риском лейкемии, а также сердечно-сосудистых и воспалительных заболеваний.

Ученые уже достаточно хорошо понимают, какие мутации и механизмы запускают клональный гемопоэз. Гораздо сложнее оказалось выяснить, что может его сдерживать или замедлять. Новое исследование Science показало, что у некоторых людей есть наследственный генетический вариант, который защищает от разрастания таких мутантных клонов и снижает вероятность их перехода в лейкемию.

Эти результаты важны не только для понимания того, как стареют наши ткани, но и для поиска способов ранней профилактики заболеваний крови и связанных с ними осложнений. — Genetic resistance to leukemia, «Биомолекула»: «Извержение ядра: как опухолевые клетки становятся сильнее?».

Мультиомные исследования

SPARK-seq: высокопроизводительная платформа для поиска аптамеров и кинетического профилирования

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые представили новую экспериментальную технологию под названием SPARK-seq, которая позволяет быстро и точно изучать, как молекулы-аптамеры связываются с белками на поверхности клеток. Аптамеры — это короткие цепочки ДНК или РНК, которые могут выполнять ту же функцию, что и антитела, но их проще и дешевле получать, а также легче модифицировать под конкретные задачи.

Белки на поверхности клеток играют ключевую роль в работе организма и часто становятся мишенями для лекарств и диагностических тестов, особенно при раке и заболеваниях иммунной системы. Однако поиск аптамеров, которые надежно и избирательно связываются с нужными белками, до сих пор был сложным и трудоемким процессом. SPARK-seq решает эту проблему, объединяя секвенирование отдельных клеток, генетическое редактирование и параллельный анализ тысяч потенциальных аптамеров в одном эксперименте.

Суть метода в том, что исследователи могут управлять набором белков на поверхности клеток и одновременно отслеживать, какие аптамеры к ним прикрепляются и насколько эффективно. Это позволяет сравнивать связывание аптамеров с разными белками, даже если те очень похожи друг на друга или присутствуют в клетке в разных количествах.

С помощью SPARK-seq ученые смогли проанализировать тысячи уникальных аптамеров и сопоставить их с несколькими ключевыми поверхностными белками. Метод оказался достаточно чувствительным, чтобы различать тонкие различия в связывании и находить аптамеры с особенно высокой специфичностью и прочностью взаимодействия.

Важное преимущество технологии заключается в том, что она дает не только информацию о факте связывания, но и о его динамике — например, о том, насколько быстро аптамер отсоединяется от белка. Эти данные критически важны при выборе молекул для практического применения, поскольку определяют их эффективность в реальных биологических условиях.

В целом, работа показывает, что SPARK-seq может значительно ускорить разработку новых диагностических инструментов и терапевтических средств на основе аптамеров. Технология открывает путь к более точному и масштабируемому изучению взаимодействий между молекулами и клетками, что особенно важно для современной медицины и биотехнологий. — SPARK-seq: A high-throughput platform for aptamer discovery and kinetic profiling, «Биомолекула»: «Аптамеры: графический гайд», «Аптамеры: назад в будущее. Старая концепция в новой технологической реальности».

Структурная биология

Асинхронные переходы между субъединицами инициируют активацию ацетилхолинового рецептора

Другое исследование в Science посвящено изучению того, как никотиновый ацетилхолиновый рецептор — важный белок, который передает нервные сигналы на мышечные и нейронные клетки — переходит из неактивного состояния к активному. Такие рецепторы открывают ионный канал в ответ на связывание молекулы-агониста (например, ацетилхолина), что позволяет ионам пройти через мембрану и передать электрический сигнал.

Авторы использовали высокоразрешающую криоэлектронную микроскопию для получения структур никотинового рецептора в трех состояниях: без лиганда, с одним связанным лигандом и с двумя связанными лигандами. Анализ этих структур вместе с данными о работе отдельного канала показал, что субъединицы рецептора переходят в активное состояние не синхронно, а поочередно. То есть каждая часть белка «подготавливается» к открытию канала в собственном порядке, прежде чем весь рецептор становится полностью активным. Это важно, потому что такие последовательные переходы дают более сложную и точную картину механизма активации, чем простое «вкл/выкл». Понимание этих промежуточных структур и переходов помогает объяснить, как именно сигнал от нейротрансмиттера превращается в электрический ответ клетки.

Полученные результаты имеют значение не только для никотиновых рецепторов, но и для всей большой семьи пентамерных рецепторов, активируемых лигандами, которые присутствуют во многих частях нервной системы и участвуют в передаче сигналов. — Asynchronous subunit transitions prime acetylcholine receptor activation.

Нейробиология

Нейронные основы кооперативного поведения в биологических системах и системах искусственного интеллекта

В одном из свежих исследований нейробиологи изучили, как кооперация — совместное поведение для достижения общей цели — реализуется в мозге живых существ и в системах искусственного интеллекта. Кооперация важна не только для животных и людей, но и для развития сложных ИИ-агентов, которые должны учиться работать сообща, а не только «индивидуально».

Команда разработала специальную задачу, в которой пара мышей должна была согласовывать свои действия во времени, чтобы получить общее вознаграждение. Используя методы записи активности нейронов, они показали, что определенные участки мозга, особенно передняя поясная кора (ППК), активируются именно тогда, когда животные учатся кооперироваться и договариваться о совместных действиях. Затем ученые создали искусственных агентов на основе ИИ, обучив их аналогичной задаче в виртуальной среде. Эти агенты также развили стратегии совместных действий — например, синхронное ожидание и координацию — очень похожие на те, которые наблюдались у мышей.

Исследование продемонстрировало, что биологические мозги и искусственные нейронные сети могут независимо приходить к похожим решениям и стратегиям при обучении кооперации, а активность, отражающая партнера в задаче, становится важной частью успешного сотрудничества. Более того, когда ученые нарушали активность ППК у мышей, их способность кооперироваться снижалась, что подтверждает критическую роль этой части мозга в социальном поведении.

В целом, данная работа показывает, что основы кооперативного поведения могут быть универсальными — одинаковые принципы и стратегии возникают как у биологических существ, так и у искусственных обучающихся систем, что открывает новые пути для понимания социальных взаимодействий и разработки более «социальных» ИИ. — Neural basis of cooperative behavior in biological and artificial intelligence systems.