Молекулярная биология

Fanzor — программируемая эукариотическая РНК-управляемая эндонуклеаза

Системы редактирования генома CRISPR/Cas были впервые обнаружены в ДНК бактерий еще в конце прошлого века. Затем аналогичные системы нашли у архей (второго базового домена всего живого). Последнее десятилетие эндонуклеазные системы редактирования генома на слуху, а за открытие «генетических ножниц» CRISPR/Cas9 даже была присуждена Нобелевская премия 2020 года. Открытие CRISPR/Cas9 считается прорывом в области генной инженерии. Система широко используется как для редактирования генома бактерий, так и для лечения генетических заболеваний человека. Однако основной проблемой ее использования является высокая вероятность нецелевого срабатывания и неверного разрезания генетических цепочек. Одним из решений стал поиск аналогичных систем у более близких для человека эукариотических организмов. Ранние исследования показали сходство между бактериальными системами CRISPR/Cas и эукариотическими белками Fanzor. Более того, кажется, у них существует общий эволюционный предок — прокариотические РНК-управляемые белковые системы геномного редактирования OMEGA.

В новом исследовании Массачусетского технологического университета ученые доказали, что белки Fanzor действительно используют короткие специализированные фрагменты РНК в качестве ориентира при разрезании ДНК мишени, в точности как бактериальные белки Cas. Ученые предполагают, что гены Fanzor мигрировали к эукариотам от бактерий посредством горизонтального переноса генов. Выводы ученые сделали, исходя из анализа белков Fanzor грибов, водорослей и двустворчатых моллюсков. Кроме того, у белка Fanzor, выделенного из грибов Spizellomyces punctatus, пока не было обнаружено побочной или нецелевой активности. Методы криогенной электронной микроскопии показали, что, несмотря на структурное сходство со своим бактериальным собратом, белки Fanzor лучше взаимодействуют с направляющей РНК, что повышает эффективность и точность редактирования генома. Кроме того, череда направленных мутаций позволяет в разы улучшить специфичность действия белков Fanzor. Таким образом, системы РНК-программируемых эндонуклеаз найдены у всех трех доменов жизни на Земле, а белки Fanzor вполне могут стать новым словом в генной инженерии и лечении наследственных заболеваний. — Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease, «Биомолекула»: «Просто о сложном: CRISPR/​Cas».

Новый метод картирования мРНК в клетках и тканях

Каждый тип и субпопуляция клеток обладает собственным уникальным набором РНК (транскриптом) и экспрессирующихся на их основе белков (протеом). При стандартном секвенировании общей мРНК исследователь получал информацию о транскриптоме всей группы клеток, а молекулярные характеристики отдельных клеток неизбежно терялись. Почти десятилетие назад возникла область пространственной транскриптомики, позволяющей визуализировать и количественно анализировать транскриптом в отдельных срезах тканей с пространственным разрешением. Раньше пространственная транскриптомика ограничивалась обнаружением экспрессии генов, однако жизнь молекулы РНК богата и динамична — начиная от транскрипции ДНК и заканчивая синтезом зарождающейся РНК, сплайсингом, транспортом, трансляцией и последующей деградацией. Поэтому неплохо бы иметь инструмент, который позволит оценить не только наличие молекулы РНК, но и отследить ее на всех стадиях жизни. На помощь приходят новые single-cell технологии. Новая методика картирования РНК (RIBOmap) позволяет обнаруживать мРНК, связанные с рибосомами, посредством специальной конструкции тройных зондов с последующим секвенированием помеченных последовательностей in situ. Технология проще в использовании, чем другие аналогичные подходы, и ее легко масштабировать на популяцию клеток, сохраняя пространственные характеристики для РНК каждой клетки. — Spatially resolved single-cell translatomics at molecular resolution.

Клеточная биология

Обнаружен сигнальный путь, предотвращающий гибель клеток

Сохранение размера и формы органов у многоклеточных организмов определяется балансом между пролиферацией и запрограммированной гибелью клеток. Раньше считалось, что апоптоз — механизм, управляющий расщеплением внутриклеточных белков каспазами, — являлся единственным генетически запрограммированным путем гибели клеток. Однако теперь стало очевидным, что некроз, когда-то считавшийся просто случайной формой гибели клеток, может быть регулируемым процессом. При этом некроптоз является наиболее распространенным сценарием некротической гибели клеток. Протеинкиназа (AMPK) активируется молекулами аденозинмонофосфата (АМФ) и служит датчиком энергетического состояния клетки. Ключевым игроком как в апоптозе, так и в некроптозе является взаимодействующая с рецептором протеинкиназа 1 (RIPK1). Ученые выяснили, что протеинкиназа (AMPK) фосфорилирует и инактивирует протеинкиназу RIPK1, противодействует некроптозу и способствует выживанию клеток. Такое действие происходит на первых порах у клеток, лишенных питательных веществ, и тем самым подавляет их гибель и тормозит процессы воспаления. Однако при более длительном стрессе из-за голодания клеток торможение протеинкиназы RIPK1 за счет AMPK утрачивается. Результаты исследования подтверждают участие RIPK1 в ишемической гибели клеток, ну а сигнальный путь AMPK-RIPK1 можно рассматривать в качестве новой терапевтической мишени для ее предотвращения. — Metabolic orchestration of cell death by AMPK-mediated phosphorylation of RIPK1, «Биомолекула»: «Апоптоз, или Путь самурая».

Роль белка NINJ1 в запрограммированном разрушении клеток

Эукариотические клетки подвергаются различным типам запрограммированной клеточной смерти, многие из которых заканчиваются разрывом цитоплазматической мембраны. Долгое время считалось, что разрыв мембраны обусловлен осмотическим давлением, однако недавно обнаружилось, что во многих случаях это активный процесс, вызванный белком NINJ1. Новое исследование определяет структуру разрывного белка и механизм, с помощью которого он повреждает мембраны. Микроскопия сверхвысокого разрешения показала, что NINJ1 образует нитевидные филаменты в виде плотно упакованного массива из α-спиралей, связанных между собой наподобие забора, которые и приводят к разрыву мембраны. Во время литической гибели клеток внеклеточные α-спирали NINJ1 внедряются в плазматическую мембрану и приводят к полимеризации мономеров, тем самым создавая губительные филаментные структуры. Таким образом, белок NINJ1 является интерактивным компонентом мембраны эукариотической клетки, который работает как встроенная точка разрыва в ответ на запуск механизмов литической гибели клеток. — Structural basis of NINJ1-mediated plasma membrane rupture in cell death.

Биомедицина

Одобрена генная терапия мышечной дистрофии

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило первую генную терапию мышечной дистрофии Дюшенна (МДД). Это генетическое заболевание, которое нарушает мышечное развитие у мальчиков в раннем возрасте. Продолжительность жизни пациентов с таким диагнозом обычно составляет не более 30 лет. Лечение от компании Sarepta Therapeutics предполагает использование вирусного вектора для доставки в мышцы рабочей версии гена дистрофина, ключевого мышечного белка, мутация которого наблюдается у пациентов с МДД. Препарат был одобрен 22 июня для клинических испытаний на мальчиках в возрасте от 4 до 5 лет. Ожидается, что именно в этой возрастной группе препарат будет обладать наибольшим эффектом. Лекарство может быть отозвано, если исследования не покажут значительного улучшения мышечной функции. Как заявляют представители компании, стоимость одной инъекции препарата будет составлять 3,2 млн долларов. — Muscular dystrophy therapy, «Биомолекула»: «Надежда для СМАйликов».

Новый класс противопаразитарных препаратов

Африканский трипаносомоз человека (сонная болезнь), болезнь Шагаса и лейшманиоз — серьезные инфекционные заболевания, которые распространяются насекомыми-паразитами. Эти инфекции могут привести к смерти и подавляются лишь высокотоксичными препаратами. Сонная болезнь вызывается простейшими трипаносомами, попадающими в организм через укус африканской мухи цеце. Для лечения этой болезни лишь недавно стали появляться современные терапевтические подходы. Однако разработка надежных, безопасных и доступных препаратов для лечения болезни Шагаса и лейшманиоза остается сложной задачей из-за различных видов простейших паразитов. В новейшем исследовании нашему вниманию представлены цианотриазолы (ЦТ), новый класс соединений с мощной трипаноцидной активностью. Эти соединения являются ковалентными ингибиторами топоизомеразы II, фермента, участвующего в репликации ядерной ДНК простейших паразитов. Цианотриазолы демонстрируют высокую эффективность в избавлении инфицированных животных от трипаносом и паразитов лейшмании, эффективно распределяются в тканях организма и обладают низкой токсичностью для зараженных млекопитающих. Воздействуя на новые мишени, эти потенциальные лекарственные средства открывают возможность лечения и даже полного искоренения множества забытых тропических болезней. — A new class of antiparasitic drug, «Биомолекула»: «Компьютеры против сонной болезни».

Биотехнологии, нутрициология

В США разрешили продажу куриного мяса, выращенного в лаборатории

Американские потребители скоро смогут впервые попробовать выращенное в лаборатории мясо после того, как Министерство сельского хозяйства США разрешило двум компаниям — Upside Foods и Good Meat — продавать мясо, состоящее из клеток, выращенных в биореакторе. Одобрение прошло благодаря решению Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов о безопасности данного продукта. Первоначально компании планируют продавать мясо с пометкой «курица, выращенная в лаборатории» только избранным ресторанам. Соединенные Штаты стали второй страной, одобрившей выращенный в лаборатории мясной продукт, после Сингапура, который дал зеленый свет курице от Good Meat в 2020 году. Институт правильного питания прогнозирует, что правительства других стран вскоре последуют их примеру. — U.S. OKs sale of lab-grown chicken, «Биомолекула»: «Культивируемое мясо — продукт завтрашнего дня».

Зоология

Самки дельфинов используют особые интонации для общения со своими детенышами

Многие животные не утруждают себя воспитанием потомства. Однако высокоразвитые виды млекопитающих прилагают усилия для обучения и социализации молодых особей. Ученые решили поискать у видов, отличных от человека, особый тип «материнского» или «направленного на детеныша» способа общения. Для этой цели были выбраны дельфины-афалины (Tursiops truncatus), сохраняющие длительную связь между матерями и потомством. Характерные звуки общения дельфинов подошли как нельзя лучше. Ученые заметили, что самки диких афалин возле побережья Флориды издают в присутствии детенышей трели с более высокими основными частотами и более широким частотным диапазоном. Такое изменение вокализации в присутствии детенышей очень схоже с человеческим аналогом материнского общения. Считается, что подобное изменение голоса помогает улучшению внимания и развитию речевых функций у потомства. Исследование представляет собой пример конвергентной эволюции обучения языку и вокализации у различных видов. — Bottlenose dolphin mothers modify signature whistles in the presence of their own calves, «Биомолекула»: «Зона дельфина».

Что снится осьминогам?

Во время сна у многих групп позвоночных животных наблюдается две чередующиеся стадии: быстрая фаза, которая сопровождается подергиваниями глаз, и более глубокая медленная фаза. Обе эти фазы явно отличаются при измерении мозговой активности. Похожее разделение на двухфазный сон ученые обнаружили и у осьминогов.

Осьминоги — это беспозвоночные животные, эволюция которых разошлась с позвоночными порядка 550 млн лет назад. Тем не менее, осьминоги, обитающие в толще океана, смогли развить большой мозг и проявляют признаки сложного поведения. Оказалось, что медленная фаза сна осьминогов прерывается примерно 60-секундными периодами активности, которая сопровождается выраженными движениями тела и изменением окраски. Электроэнцефалограммы мозга осьминогов показывают, что активность их быстрого сна аналогична функционированию мозга во время бодрствования. Всплески активности наблюдаются в верхних лобных и вертикальных долях, связанных с обучением и памятью. Диапазон сходства этих активностей с позвоночными указывает на то, что аспекты двухстадийного сна у осьминогов могут представлять собой черты конвергентной эволюции сложного мышления у двух совершенно далеких групп живых организмов. — Wake-like skin patterning and neural activity during octopus sleep, «Биомолекула»: «Осьминожий геном».

Секрет полета клещей

Чтобы присосаться к своей жертве, сидящим на траве клещам нужно как-то попасть на тело хозяина. Однако как это сделать, если ты размером с кунжутное зернышко и совершенно не умеешь прыгать? Впрочем, тебе не нужно прыгать, если ты умеешь летать. Каким образом? Ответ прост: статическое электричество. Новое исследование из журнала Current biology подтвердило, что клещи могут притягиваться к своим жертвам, используя статические заряды на шерсти млекопитающих. При использовании базовых статических зарядов на поверхности шерсти кролика и других заряженных материалов клещи Ixodes ricinus могут покрывать расстояние, превышающее длину их тела в 3-4 раза. Минимальное количество статического электричества, необходимое для того, чтобы поднять клеща в воздух, находится в пределах предполагаемого количества электричества, которое люди и другие млекопитающие вырабатывают при трении о траву; более высокие заряды, которые несут люди на складках синтетической одежды, теоретически могут притягивать клещей на несколько сантиметров. На это электростатическое взаимодействие существенно не влияет полярность электрического поля. Из этого следует, что механизм притяжения основан на индукции электрической поляризации внутри клеща, а не на статическом заряде поверхности его тела. Запасаемся антистатиком? — Static electricity passively attracts ticks onto hosts, «Биомолекула»: «Клещевой энцефалит: крошечный укус — серьезные последствия».