Нормальная и патофизиология

Разборчивость в еде под контролем иммунной системы

Сразу две группы исследователей параллельно друг другу наблюдали за взаимодействием иммунной и нервной систем при аллергии у мышей. Целью ученых стала расшифровка клеточных и молекулярных механизмов избегания грызунами пищи, содержащей аллергены. В случае высокой чувствительности организма к определенным веществам пищевое поведение выступает в качестве защитного фактора, так как препятствует контакту с провоцирующими агентами.

Каждый исследовательский коллектив проводил иммунизацию мышей, усиливая иммунный ответ. Аллергические реакции у грызунов вызывали посредством предъявления яичного белка овальбумина. Затем проследили за пищевым поведением животных, предлагая им две поилки с водой, в одной из которых содержался овальбумин.

Ученые заметили, что мыши предпочитали воду без яичного белка. Поведенческий ответ животных на аллерген зависел от активности кишечной популяции тучных клеток. У мышей с недостатком этих клеток неприязнь к воде с овальбумином не развивалась. Пищевое поведение определялось генотипом животных, поскольку различалось у разных линий. Кроме того, в реакции на еду участвовали антитела IgE, которые повышали чувствительность тучных клеток к аллергену, а также цитокин IL-4, который стимулировал еще один тип иммунных клеток — Т-хелперов.

Что касается нейросоставляющей в регуляции отказа от пищи, то воздействие аллергена активировало области головного мозга мышей, связанные с реакцией на аверсивные (неприятные) стимулы: ядро одиночного пути и латеральное парабрахиальное ядро в составе ствола мозга, центральное ядро амигдалы. Дополнительно исследователи установили, что клетки слизистой кишечника выделяли гормон GDF15, объемы которого определялись количествами аллергена. Рецепторы к GDF15 имеются в ядре одиночного пути,а также области мозга, связанной с запуском рефлекса тошноты. Блок этого гормона предотвращал развитие негативных реакций к определенной пище.

По мнению авторов работ, им удалось обнаружить антигенспецифичные формы поведения, эволюция которых была направлена на поиск безопасной среды и избегания неблагоприятных факторов. — Mast cells link immune sensing to antigen-avoidance behaviour, Immune sensing of food allergens promotes avoidance behaviour, «Биомолекула»: «Взаимодействие нервной и иммунной систем: предпосылки новой терапии».

Клеточные карты органов человека

Вышли в свет три статьи о референсных (эталонных) картах клеток человеческих плаценты, кишечника и почек с разрешением в одну клетку, позволяющим изучить строение тканей в мельчайших деталях. Исследования проведены в рамках Программы биомолекулярного атласа человека (Human BioMolecular Atlas Program, HuBMAP), которая направлена на разработку технологий и ресурсов, необходимых для картирования разных типов клеток организма человека. В своих работах ученые сочетали методы секвенирования РНК: пространственной или транскриптомики единичных клеток — с визуализацией содержания белков при помощи антител, меченных изотопами тяжелых металлов (MIBI), или баркодов ДНК (CODEX).

Авторы первой статьи изучили клеточное строение человеческой плаценты, точнее, ее поверхности, граничащей со стенкой матки. Они использовали образцы плацент, полученных в результате 66 прерванных беременностей. Особенно ученых заинтересовали плаценты, чьи клетки уже проникли в стенку матки: после этого события материнские артерии подвергаются преобразованию для кровоснабжения зародыша. Исследователи составили клеточные карты нескольких образцов на разных стадиях развития. С помощью анализа определили, как иммунные клетки матери направляют формирование ниши внутри и вокруг артерии и обеспечивают сосуществование генетически разных клеток матки и плаценты зародыша. Результаты работы расширяют представление о модификации сосудов матери, связанной с развитием плода. — A spatially resolved timeline of the human maternal–fetal interface.

Из второй статьи можно узнать о картировании кишечника. Исследователи составили профили восьми участков органа по образцам тканей 9 человек. Сравнение разных частей кишечника выявило различия в их клеточном составе. Так, ученые обнаружили ранее неизвестные подтипы эпителиальных клеток в составе разных участков слизистой. Кроме того, экспериментаторы идентифицировали области с большим количеством иммунных клеток, способных к активации. Авторы работы пришли к выводу, что каждая анатомическая область кишечника характеризуется пространственной организацией, необходимой для выполнения специфичной функции. — Organization of the human intestine at single-cell resolution.

Третья статья раскрывает подробности создания атласа почек. Ученые обследовали 45 здоровых и 48 больных почек. Наблюдали клетки с неадаптивным измененным состоянием, например, в случае, когда восстановление, наоборот, мешало образованию почечных канальцев, во время острого и хронического повреждения почек и определили нахождение клеток. Измененные клетки обменивались сигналами с другими рубцующимися тканями, а также с участвующими в развитии воспаления клетками. В дополнение, исследователи определили транскриптомные сигнатуры, связанные со старением клеток, которое может быть причиной прогрессирования почечной недостаточности. — An atlas of healthy and injured cell states and niches in the human kidney.

В целом три статьи демонстрируют возможности применения пространственных молекулярных методов в изучении тканей и органов, а также более глубокого понимания патогенеза болезней.

Микробиология

Случай, когда лекарство заодно с патогеном

Инфекция бактерией Clostridioides difficile может обернуться для человека развитием серьезного воспалительного процесса в кишечнике. Однако попытка устранить симптомы при помощи нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП), таких как аспирин, индометацин или напроксен, может усугубить состояние — таков вывод более ранних исследований. Неблагоприятный эффект НПВП связывают с подавлением фермента циклооксигеназы (ЦОГ), который обеспечивает синтез простагландинов — медиаторов воспаления. Однако в новой работе американские ученые сообщили о менее очевидном эффекте НПВП, который не следует сбрасывать со счетов.

В опытах in vitro, когда культуры эпителиальных клеток толстого кишечника инфицировали C. difficile, ученые обратили внимание, что присутствие индометацина разрушало клетки и повышало их проницаемость, нарушая барьерную функцию. Более того, НПВП усиливал восприимчивость клеток к токсинам C. difficile, а, значит, препарат укреплял болезнетворные свойства бактерии. Среди зараженных патогеном мышей смертность была выше в группе, принимавшей индометацин.

Удивительно, но наблюдаемый эффект препарата не был связан с подавлением ЦОГ. Экспериментаторы ввели в культуру клеток, а затем и инфицированным мышам предшественник индометацина, который не влиял на активность ЦОГ. Однако это не остановило гибель клеток и животных, зараженных C. difficile. Чтобы выяснить секрет НПВП, исследователи оценили функционирование митохондрий — энергетических станций — в эпителиальных клетках толстого кишечника в культуре и у мышей. Добавление индометацина усиливало вред, наносимый митохондриям бактериальным токсином, и нарушало их функцию.

Таким образом, полученные результаты дают представление о неочевидных эффектах НПВП и их роли в обострении инфекции Clostridioides difficile в толстом кишечнике. Авторы планируют продолжить исследования и выяснить значение функции митохондрий при бактериальной инфекции. — Nonsteroidal anti-inflammatory drugs sensitize epithelial cells to Clostridioides difficile toxin–mediated mitochondrial damage, «Биомолекула»: «Клостридия клостридии волк: С. difficile vs С. scindens».

Сказ о том, как бактерия, ответственная за гастрит и язвы, рак желудка вызывает

Коллектив ученых из Японии описал молекулярный механизм канцерогенности Helicobacter pylori. Из клинических данных известно, что заражение этой бактерией приводит к развитию болезней пищеварительного тракта, а штамм H. pylori, который продуцирует белок CagA, ассоциирован с развитием рака желудка. Как CagA взаимодействует с белками и способствует трансформации клеток хозяина в раковые, пока не было установлено. Однако новая статья в Science Signaling приоткрыла завесу тайны.

Ученые проводили свои изыскания на трех моделях — эмбрионах лягушки Xenopus laevis, взрослых мышах и культуре эпителиальных клеток желудка человека. Клетки каждого из объектов (в случае мышей это были эпителиальные клетки желудка) были генетически отредактированы для экспрессии белка CagA. У X. laevis его синтез нарушал миграцию эмбриональных клеток и, как следствие, развитие зародыша — процессы гаструляции и формирования нервной трубки. В желудке генетически модифицированных мышей произошло увеличение размеров пилорических желез за счет чрезмерного деления стволовых клеток в их основании. Одновременно уменьшилось число зрелых секретирующих гормоны клеток. Кроме того, изменилось положение белков VANGL1 и 2, которые были вытеснены из плазматической мембраны в цитоплазму клеток. Схожие изменения наблюдали in vitro в культуре человеческих клеток.

Результаты, полученные на трех моделях, объединяет нарушение передачи сигналов в пути Wnt/PCP, который регулирует процессы пролиферации (деления) и дифференцировки клеток. Подобным образом, как полагают авторы статьи, продуцируемый H. pylori белок CagA способствует развитию рака желудка. — The Helicobacter pylori CagA oncoprotein disrupts Wnt/PCP signaling and promotes hyperproliferation of pyloric gland base cells, «Биомолекула»: «Микрофлюидный биосенсор на основе Helicobacter pylori: может ли патоген приносить пользу?», «Хеликобактер попадает в плохую компанию».

Вирусология

Генетическая суперсила людей с бессимптомным протеканием COVID-19

Ученые из США, Австралии и Британии обнаружили связь лейкоцитарных антигенов HLA, кодируемых генами главного комплекса гистосовместимости, с тяжестью течения COVID-19 у людей. Белки HLA презентуют чужеродные антигены, например, фрагменты SARS-CoV-2, на поверхности инфицированных клеток, что привлекает к ним внимание Т-лимфоцитов. Авторы работы предположили, что генетический полиморфизм HLA предрасполагает к разному протеканию коронавирусной инфекции, включая бессимптомный вариант.

Исследователи привлекли около 30 тысяч участников программы доноров костного мозга (The US National Marrow Donor Program), для которых были доступны данные генотипирования HLA. Испытуемые прошли тест на SARS-CoV-2 и сообщили своем самочувствии. Непосредственно исследуемая группа включала 1428 человек с положительным результатом на коронавирус. Среди них экспериментаторы выявили 136 людей, у которых отсутствовали симптомы инфекции. Варианты генов HLA этих счастливчиков сравнили с таковыми у других участников с проявлением болезни разной степени тяжести.

Ученые обнаружили значительную связь аллеля HLA-B*15:01 с бессимптомным течением COVID-19. Вероятность этого события возрастала по мере увеличения числа копий HLA-B*15:01 в генотипе. По сравнению с людьми без генетического варианта, бессимптомное протекание болезни становилось в 2 раза более вероятным событием для обладателей одной копии HLA-B*15:01 и в 8 раз — для обладателей двух копий. В целом около 10% людей европейского происхождения содержат одну или несколько копий этого генетического варианта.

В крови носителей HLA-B*15:01 выявили высокие титры Т-лимфоцитов еще до пандемии SARS-CoV-2, что указывало на мобилизацию иммунной системы до непосредственного заражения этим вирусом. Причина — контакт с другими видами коронавирусов, которые ответственны за сезонные простудные заболевания у человека. Образовавшиеся Т-киллеры распознавали белки разных коронавирусов и оказались эффективны против SARS-CoV-2.

Несмотря на любопытные результаты, авторы работы отметили, что тяжесть COVID-19 определяется множеством факторов разной природы, включая генетические (HLA-B*15:01), но не ограничиваясь только ими. — A common allele of HLA is associated with asymptomatic SARS-CoV-2 infection, «Биомолекула»: «COVID-19: что мы знаем и чего не знаем», «COVID-19: отвечаем на вопросы».

Генетика человека

Генетические предпосылки становления человечества на ноги

Призвав на помощь естественному интеллекту искусственный, американские ученые выявили генетические локусы, связанные с развитием скелета человека. Как написали авторы работы, полученные результаты помогли им понять, почему человек — единственный примат, который передвигается при помощи двух конечностей, названных ногами.

Исследователи применили технологию глубокого обучения к более чем 31 тысяче рентгеновских снимков тела, принадлежащих 42 с лишним тысячам участников UK Biobank. ИИ помог авторам измерить расстояние между плечами, коленями и другими частями тела людей. Затем эти данные сопоставили с информацией о ДНК каждого участника. В результате ученые выделили 145 локусов, связанных с контролем пропорций скелета. Они содержали гены, которые регулируют развитие скелета и связаны с редкими заболеваниями опорно-двигательного аппарата человека и аномалиями структур у мышей.

Наконец, исследователи оценили риск развития заболеваний в зависимости от анатомического строения скелета и показателей полигенного риска на примере остеоартрита коленного и тазобедренного суставов. Оказалось, чем выше отношение ширины бедра к росту, тем выше риск развития остеоартрита и болей в тазобедренном суставе. В то же время, более высокое отношение длины бедра к росту связано с риском патологии коленей. Склонность к болям в спине характерна для людей с большим отношением длины туловища к росту.

По мнению авторов работы, полученные результаты проливают свет не только на генетику заболеваний, но и на эволюцию опорно-двигательного аппарата человека. Авторы указали, что, в отличие от других признаков, локусы, связанные с пропорциями скелета, значительно обогащены в зонах ускоренной эволюции и регуляторных элементах генов, экспрессия которых различалась для людей и человекообразных обезьян. — The genetic architecture and evolution of the human skeletal form.

Ветеринария

Современные болезни суставов у древних кошек и волков

К каким открытиям могут привести специалиста в области ортопедии животных прогулки по музеям? Ответ на этот вопрос представлен в опубликованной PLOS ONE статье, содержание которой кратко пересказал Science. В один из своих визитов в музей шведский исследователь Hugo Schmökel заметил сходство в строении скелета ныне живущих и вымерших представителей семейств кошачьи и псовые и предположил, что общими для разделенных эпохами животных могут быть и заболевания, в частности, рассекающий остеохондрит.

Ученый обратился за материалом к палеонтологам, которые курировали раскопки в местечке Rancho La Brea в Лос-Анджелесе и были сотрудниками музея La Brea Tar Pits and Museum. Шведский специалист оценил состояние суставных поверхностей плечевых, бедренных и больших берцовых костей саблезубых кошек Smilodon fatalis и ужасных волков Aenocyon dirus. У древних хищников, как и у современных сородичей, рассекающий остеохондрит чаще затрагивал плечевой, локтевой и коленный суставы. Причем, у саблезубых кошек страдали, в основном, колени: 6% обследованных бедренных костей содержали дефекты в области суставной поверхности. Для ужасных волков мишенью болезни чаще становился плечевой сустав: на поверхности 4,5% плечевых костей обнаружили патологические углубления. Различия в пораженных суставах исследователи связали со стратегиями животных во время охоты. Древние кошки хватали добычу во время прыжка из засады и, отталкиваясь лапами, увеличивали напряжение области колена. Волки, напротив, преследовали добычу, из-за чего нагрузка приходилась не только на коленный, но и плечевой суставы.

Авторы работы предположили, что остеохондрит мог распространиться в популяциях S. fatalis и A. dirus в связи с инбридингом особей, интенсивность которого могла возрасти из-за сокращения их числа в период вымирания. — Saber-toothed cats and dire wolves suffered from joint pain like modern pets.

Онтогенез

OBOX-принцы для пробуждения спящего генома зародыша у мышей

Китайские ученые решили выяснить молекулярный механизм активации зиготического генома у млекопитающих на примере мыши. Они идентифицировали важную роль семейства транскрипционных факторов OBOX, члены которого кодируются 8 генами Obox1–8.

В сформировавшейся после оплодотворения зиготе геном «молчит». Первые деления она совершает благодаря запасу белков и РНК яйцеклетки, после истощения которого «бразды правления» постепенно переходят к ДНК зародыша. В случае с мышами, этот процесс происходит волнообразно: сначала включаются несколько генов, затем около тысячи, что завершается еще одной небольшой волной активации. Индуцированный исследователями дефицит OBOX1,2,3,4,5,7 у зародыша повлиял на протекание последних двух волн, из-за чего эмбриональное развитие останавливалось на стадии 2 или 4 клеток. Возобновление экспрессии кодирующих генов, за исключением Obox4, восстанавливало нормальное развитие зародыша.

Ученые установили механизм, при помощи которого белки OBOX обеспечивали включение генов основной волны. Эти факторы облегчали посадку фермента РНК-полимеразы II, которая осуществляет первый этап экспрессии гена, на промотор (регуляторный участок гена) с малым числом нуклеотидов с цитозином и гуанином. Кроме того, OBOX предотвращали аномальную транскрипцию, ограничивая контакт РНК-полимеразы с промоторами генов, активных на более ранних этапах.

Гены Obox специфичны для генома грызунов, однако в ДНК человека содержится набор генов того же класса. Таким образом, проведенное исследование прокладывает дорогу к пониманию пусковых факторов развития у разных видов, включая человека. — OBOX regulates murine zygotic genome activation and early development.

Космос

Проверка Марса на пригодность для жизни продолжается

Обнаружение органических веществ на поверхности планеты позволяет судить о протекании круговорота углерода, а также о потенциальном существовании на ней живых организмов. В рамках экспедиции NASA «Марс-2020» в область кратера Езеро был отправлен марсоход Perseverance, который оснастили зондами и измерительными приборами. SHERLOC — прибор для определения химического состава субстрата на основе рамановских спектров, которые позволяют разграничить неорганические и органические соединения, и спектров флуоресценции, которые позволяют выделить ароматические соединения.

Международный коллектив ученых опубликовал результаты анализа грунта в двух участках на дне кратера Езеро in situ. Были зафиксированы многочисленные флуоресцентные сигналы. Они, по мнению авторов, могли указывать на организацию органических веществ разных классов в виде ассоциаций с минералами, которые сформировались в результате процессов с участием воды. Ученые отметили, что влияние воды на органические и неорганические субстраты Марса аналогично тому, что наблюдается в пригодной для жизни среде Земли. Часть наблюдаемых флуоресцентных спектров могла принадлежать ароматическим веществам, что указывает на их возможное присутствие в грунте Марса в комплексе с минералами.

Результаты новой работы дополняют предыдущие, полученные при изучении марсианских метеоритов и кратера Гейла. Вместе они свидетельствуют о неравномерном распределении органических соединений на Марсе. В частности, с двух участков внутри одного кратера Езеро были получены разные спектры, что может указывать на различия в циклах углерода. Выдвинутые в данной работе гипотезы, по мнению авторов, могут найти подтверждение в ходе дальнейших исследований. — Diverse organic-mineral associations in Jezero crater, Mars.