Медицина

Птичий грипп у людей

Птичий грипп вполне соответствует названию, в норме им болеют только водоплавающие птицы, тем не менее иногда болеть им могут и другие животные, в том числе люди. Болезнь опасна высокой летальностью, умирают от нее 56% зараженных. По данным ВОЗ, с 2003 по 2008 года из 361 подтвержденного случая заражения людей 227 стали смертельными. Статья в новом выпуске Nature посвящена одному из белков, которые защищают людей от птичьего гриппа, а также случаям, в которых он не спасает людей от болезни. Ученые обнаружили белок BTN3A3, который синтезируется в дыхательных путях людей и других приматов. Оказалось, что этот белок подавляет синтез вирусной РНК на ранних стадиях жизни вируса в организме. Кроме того, исследователи обнаружили конкретный участок (313) в вирусном нуклеопротеиде, который BTN3A3 «опознает». Интересно, что защита этого белка не универсальна, соответственный участок у вирусов, вызывающих грипп у людей, например, вирус гриппа А, данный белок не опознает. Что более настораживает, ученые нашли неуловимые вариации для BTN3A3 и у птичьего гриппа. Существуют даже опасения, что мутации в данном участке могут когда-то привести к пандемии у людей. — BTN3A3 evasion promotes the zoonotic potential of influenza A viruses.

Компост и шистосомоз

Шистосомоз — тяжелое тропическое паразитарное заболевание. Болеет им очень много людей, в 2021 году по оценкам ВОЗ им заболело более 250 миллионов человек. Черви попадают к людям от улиток из воды. Особенно много улиток живет в воде с богатой растительностью, которая развивается у сельскохозяйственных стоков с удобрениями. На сенегальских деревнях ученые показали, что действительно в районах со стоками болеет больше людей. Исследователи попробовали бороться с заболеванием интересным способом: убирать водную растительность в местах, где люди заходят в воду. В итоге в тех сенегальских деревнях, где растительность выкосили, заболеваемость снизилась, а из растений делали компост и корм для скота. В дальнейшем такой подход поможет не только снизить заболеваемость, но и сократить использование удобрений. На исследование и апробацию данного подхода на 23 деревнях ушло 7 лет, а в 16 деревнях производились работы по удалению водной растительности. Тем не менее необходимо еще ввести этот метод в обычную практику местных жителей и усовершенствовать технологию переработки водных растений. — A sustainable way to control the parasitic disease schistosomiasis.

Макрофаги и аритмия

Мерцательная аритмия — один из самых распространенных видов аритмии. Данное сердечно-сосудистое заболевание может привести к тромбообразованию и инсульту. Ученые из США провели секвенирование РНК единичных клеток из тканей предсердия, чтобы оценить связь иммунных клеток с данным заболеванием. В итоге они выяснили, что макрофаги CCR2+ и SPP+ очень многочисленны при мерцательной аритмии. У мышей с гипертонией, ожирением и регургитацией митрального клапана (HOMER-mice) наблюдалась склонности к фибрилляции предсердий и такие же особенности иммунных клеток в предсердиях. Удаление макрофагов SPP+ уменьшило фибрилляцию предсердий у таких мышей. Таким образом, макрофаги SPP+ и ССR+ являются потенциальной мишенью для лечения мерцательной аритмии. — Recruited macrophages elicit atrial fibrillation.

Экология

Пластик в коралловых рифах

Несмотря на то, что загрязнение коралловых рифов является общепризнанной проблемой, масштабы бедствия не вполне определены. Ученые из Калифорнии, Кении, Бразилии, Австралии, Японии и других точек земного шара объединились, чтобы обследовать 84 коралловые экосистемы в бассейнах Тихого, Атлантического и Индийского океанов на предмет антропогенного макромусора (крупного мусора, более 5 см). В итоге они обнаружили крупный мусор в 77 экосистемах из 84. Больше всего мусора исследователи нашли в глубоких частях рифов (30–150м) и этот мусор был в основном от рыболовства. Интересно, что в других прибрежных зонах количество мусора убывает с увеличением глубины и мусор в основном состоит из потребительских товаров — упаковок от еды, одежды, других неспецифических товаров. — Plastic pollution on the world’s coral reefs.

Клеточная биология

Делиться или нет — есть время подумать

Каждая клетка за свою жизнь может поделиться, а может и не поделиться — выйти из клеточного цикла. Как клетка выбирает один из этих двух путей, последнее время очень интересует ученых, ведь клетки, которые бесконечно делятся, могут в итоге стать раковыми. Классическое представление о переходе к делению заключается в том, что сигналы от факторов роста активируют циклинзависимую киназу CDK4/6, которая после этого фосфорилирует белок ретинобластомы, после чего он перестает подавлять транскрипционный фактор E2F. Этот фактор запускает синтез множества белков для удвоения ДНК, а также циклинов E и A, которые образуют комплексы с CDK2, которые также фосфорилируют Rb, таким образом, образуется петля положительной обратной связи. Считается, что после этого клетка уже не нуждается в факторах роста для продолжения деления. Но новая статья в Nature показывает, что множество клеток тем не менее не проходят далее по клеточному циклу в отсутствии факторов роста и, соответственно, при низком уровне активности CDK4/6. Поэтому достаточно высокий уровень CDK4/6 необходим даже в фазе удвоения ДНК и после нее, а не только в предшествующую. — Loss of CDK4/6 activity in S/G2 phase leads to cell cycle reversal.

Генетика

Генетика и тяжесть течения рассеянного склероза

Рассеянный склероз — хроническое аутоиммунное нейродегенеративное заболевание, которое является частой причиной хронической неврологической инвалидности у молодых людей. Исследователи провели полногеномное секвенирование у 12 584 пациентов с рассеянным склерозом и обнаружили вариант при котором заболевание протекает тяжелее. Они обнаружили ген расположенный между генами DYSF и ZNF6383. Определенные аллели которого в гомозиготном состоянии уменьшают время, которое больной будет нуждаться в помощи при ходьбе, почти на четыре года. После чего исследование для уточнения провели еще на 9 805 случаях рассеянного склероза, в этих случаях наблюдались такая же ассоциация более тяжелого течения болезни и определенного генетического варианта. — Locus for severity implicates CNS resilience in progression of multiple sclerosis.

Одомашненные тополя

Деревья — важный природный ресурс, но обработка древесины является долгим и кропотливым процессом, особенно если речь идет о целлюлозно-бумажной промышленности. Для получения целлюлозы, чтобы придать готовой бумаге или другой продукции необходимые качества, в том числе белый цвет, необходимо удалить из древесины лигнин, обычно для этого используют щелочной метод, который требует большего количества реагентов. Ученые использовали CRISPR технологию, чтобы отредактировать геном тополя, сделать его более легким в обработке. Ученые оценили все возможные комбинации 69 123 полигенных стратегий редактирования генома для 21 гена, регулирующего биосинтез лигнина, и вывели семь различных стратегий редактирования генома, нацеленных на одновременное изменение шести генов. В итоге они получили 174 генетически отредактированных тополя. Редактирование увеличило отношение целлюлозы к лигнину до 228% по сравнению с обычным тополем, при этом не отразилось на его жизнеспособности. Из таких тополей бумагу и другую целлюлозную продукцию можно будет изготавливать гораздо легче. — Genetic editing of wood for sustainability.

Искусственный интеллект в биологии и медицине

Новый спецвыпуск Science посвящен искусственному интеллекту — невероятным перспективам его применения и опасностям. Не обошли стороной и применения искусственного интеллекта в биологии, особенно в медицине. Из нового выпуска вы можете узнать: какие перспективы существуют у медицинских роботов, как машина может быть предвзятой, и получится ли у нас понять коммуникацию других животных.

Искусственный интеллект и медицинские роботы

До недавнего времени все медицинские роботы требовали полного управления человеком. Теперь, благодаря тому, что искусственный интеллект стал достаточно хорошо рассматривать медицинские изображения, роботы могут производить больше манипуляций автономно. Например: направлять эндоскоп, анализируя изображения на экране, брать биопсию, трактуя изображения от ультразвука, а также проводить УЗИ и интерпретировать его результаты. Кроме того, современные роботы могут очень точно и тонко выполнять определенные этапы операций автономно, но переключать робота между этапами все еще должен врач, поскольку при операциях может возникать множество опасных состояний, которые еще не способен учесть искусственный интеллект, в которых нужно менять тактику операции. Пока что мы еще очень далеки от момента, когда полностью автономные роботы смогут проводить полноценные операции, но сейчас они уже могут полностью автономно выполнять конкретные задачи хирурга с потрясающей точностью. — Artificial intelligence meets medical robotics.

Искусственный интеллект и предвзятость в медицине

Казалось бы, машина не может быть предвзятой, но это не так. С внедрением ИИ в нашу жизнь, оказалось, что часто у него есть множество этнических, расовых и других предрассудков из-за того, что они могут работать на предвзятых алгоритмах, обучаться на предвзятых данных, а также с непредвзятыми нейросетями могут работать предвзятые люди. В медицине эти предрассудки абсолютно неприемлемы и особенно критичны. Обеспокоенность связана в том числе с тем, что ИИ точно определяет расу по УЗИ сердца и рентгену легких, хотя как он это делает не понятно, явных признаков для определения расы в таких изображениях нет. Пока что не ясно о чем говорит и к чему приведет такая способность нейросетей — дискриминациям в алгоритмах лечения, а может, наоборот, поможет отслеживать дискриминации в системе здравоохранения. При этом сложности добавляет то, что во-первых, данные искусственного интеллекта используют врачи и пациенты, которые тоже могут быть предвзяты по отношению к ИИ, а во-вторых, некоторым группам населения ИИ может быть просто недоступен, из-за чего данные для обучения машины могут быть неполноценными, так что даже данные непредвзятого алгоритма могут вредить людям. Все пациенты заслуживают помощи как от честных алгоритмов, так и от честной реализации, поэтому необходимо выработать подходы для минимизации предвзятости, связанной с использованием искусственного интеллекта. — Implications of predicting race variables from medical images, Mitigating bias in AI at the point of care.

Нейросети для понимания языка животных

Еще одной привлекательной перспективой использования ИИ является исследование коммуникаций животных. Животные используют в своей коммуникации множество различных сигналов: визуальные, звуковые, запахи. Некоторые их этих сигналов человек не способен даже воспринять. Тем не менее люди достигли некоторых успехов, так для многих животных известны сигналы тревоги, которые животные используют только в опасной ситуации. Правильность трактовки сигналов, как правило, проверяется экспериментально, сигнал издают искусственно и смотрят на реакцию других животных.

Самообучающиеся нейронные сети могут обрабатывать огромные объемы информации без аннотации, что как раз актуально для коммуникации животных. Существуют сети, связывающие слова с изображением, продолжающие цепочки слов, а также множество нейронных сетей, использующихся лингвистами, возможно, подобные сети помогут понять «языки животных». Кроме того, нейронные сети могут пригодиться для разработки экспериментов для проверки трактовки тех или иных сигналов, которые люди думают, что поняли.

Из имеющихся сейчас результатов, оказалось, что у некоторых животных, от которых этого не ожидалось, есть элементы, характерные для человеческих языков, например, у пегой дроздовой тимелии (Turdoides bicolor) наблюдается некоторая композиционность в коммуникации, характерная для людей, по сути, это значит, что значение сигналов, которыми обмениваются эти птицы, является функцией от значений его частей и способов их синтаксического соединения. Также недавно провели массивное исследование, выявившее индивидуальные и групповые отличия в пении зебровых вьюрков, такие исследования помогут точно идентифицировать особи по пению. Особый интерес представляет собой разгадка языков китообразных, но к сожалению данных для эффективной работы нейросетей пока мало, их сложно записывать, почти никогда не известна реакция других особей на различные звуки, поведение, так как особи находятся на большом расстоянии друг от друга и под водой. Ученые надеются, что машинное обучение можно будет использовать для изучения изменений голосового репертуара у вида со временем, а впоследствии для восстановления важных утерянных сигналов у уязвимых видов. Кроме того, данные, которые ученые надеются получить от нейронных сетей, хотят использовать для оценки стресса у домашних животных и скота. — Using machine learning to decode animal communication.

Молекулярная биология

Механизм деметилирования гистонов

Свернутость ДНК влияет на экспрессию генов, ДНК сворачивается в определенную структуру благодаря белкам-гистонам, а различные модификации гистонов в итоге влияют на экспрессию генов. Одни из самых важных таких модификаций — метилирование и ацетилирование. Участки ДНК, свернутые метилированными гистонами, обычно меньше экспрессируются, там же где расположены ацетилированные гистоны, гены, как правило активные. Гистоновые деметилазы — ферменты, которые удаляют метильную группу с гистонов, тем самым повышая экспрессию генов. Ранее было не известно, что влияет на активность гистоновых деметилаз, недавнее исследование на резуховидке Таля, результаты которого опубликованы в Science, раскрывает один механизм. Для активности деметилаз необходим α-кетоглутарат. Выяснилось, что α-кетоглутарат дегидрогеназа, фермент цикла Кребса, у резуховидки Таля поступает в ядро и катализирует декарбоксилирование α-кетоглутарата, из-за чего гистоновые деметилазы теряют активность, перестают отрывать метил от гистонов, в итоге гены остаются слабоактивными. Это исследование не только раскрывает один механизм регуляции деметилирования гистонов, но и демонстрирует альтернативную, не дыхательную функцию α-кетоглутарат дегидрогеназы. — Control of histone demethylation by nuclear-localized α-ketoglutarate dehydrogenase.

Механизм убийства бактерий

Проблема антибиотикорезистентности с каждым днем становится все острее, поэтому исследования фаготерапии становятся все актуальнее. Недавно ученые выяснили структуру конкретного комплекса белка фага и белков мембраны бактерии, который позволяет самому известному вирусу поражающего бактерии — ΦХ174 — убивать бактерию-хозяина — E.Coli. Комплекс назван YES — E — белок фага, который встраивается в мембрану бактерии, букву Y дает MraY — фермент, ключевой для синтеза клеточной стенки, a буква S — белок SlyD, оказалось, что его роль заключается в стабилизации структуры комплекса. В итоге выяснилось, что в данном комплексе белок фага Е блокирует активный центр MraY, после чего клеточная стенка перестает синтезироваться, в результате чего происходит лизис. Исследователи считают, что на основании данного исследования можно заключить, что белок Е является отличной моделью для разработки антибактериальных препаратов. — The mechanism of the phage-encoded protein antibiotic from ΦX174.

Неостановимые энхансеры

У эукариот достаточно сложная регуляция синтеза белка в том числе транскрипции. Факторы транскрипции связываются с ДНК и РНК полимеразой, регулируя ее активность. Факторы транскрипции могут получать сигналы от энхансеров и сайленсеров — участков ДНК, часто отдаленных от места в котором синтезируется РНК, но при этом подавляющие, ускоряющие транскрипцию. Кроме того существуют репрессоры, которые подавляют сигналы от энхансеров. До недавнего времени ученые не задавались вопросом, подавляют ли репрессоры сигналы от любых энхансеров, но оказалось, что ответ на этот вопрос достаточно интересный. Оказывается репрессоры не способны подавлять любые энхансеры, взаимодействия между ними зависят от специфических характеристик энхансеров, таких как хроматин и паттерны последовательностей, изменение этих характеристик может сделать энхансеры более или менее чувствительными к репрессорам. — Widespread regulatory specificities between transcriptional co-repressors and enhancers in Drosophila.