Новые технологии в медицине и биологии

ИИ — лучший друг врачей

Область вычислислительных методов для распознавания патологии сейчас активно развивается, и специалисты все чаще обращаются к помощи искусственного интеллекта (ИИ) в медицине. Несмотря на взрывной рост ИИ, по прежнему существует необходимость в разработке специальных помощников, — систем, позволяющих различными способами взаимодействовать с людьми, или мультимодальных помощников, и со-пилотов, работающих совместно с человеком и другими системами, адаптированными к работе с патологиями. В исследовании, опубликованном в Nature, представлен PathChat — ИИ-помощник в медицине. PathChat сравнили с несколькими распространенными мультимодальными помощниками на языке GPT4V (который, кстати, лежит в основе ChatGPT-4). PathChat продемонстрировал более точные и предпочтительные для специалистов ответы на разнообразные вопросы, связанные с патологией. — A Multimodal Generative AI Copilot for Human Pathology, «Биомолекула»: «Искусственный интеллект в биологии».

«Умная крона» растений для повышения урожайности

Увеличивая плотность посадки кукурузы, необходимо помнить о том, что при высокой плотности соседние растения могут затенять друг друга и затруднять проникновение солнечного света в крону, и, следовательно, уменьшать урожайность. Ученые изучили архитектуру листьев у естественного мутанта lac1, избегающего проблемы затененности. Исследование показало, что мутант lac1, обладающий вертикальными верхними листьями, менее прямостоячими средними листьями и относительно плоскими нижними листьями, вырабатывает фитогормон, регулирующий угол верхних листьев. Однако в условиях затененности, например, при густой посадке, выработка этого фитогормона снижается, что позволяет улучшать фотосинтетическую способность растений урожайность. — Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities.

Новая система обучения экзоскелетов

Экзоскелеты обладают огромным потенциалом в медицине, однако их разработка ограничивается необходимостью длительного испытания на людях. В исследовании, опубликованном в Nature, рассказывается про неэкспериментальную систему обучения, позволяющую преодолеть разрыв между симуляцией и реальностью без участия пациента. Эксперимент показал, что контроллер, созданный с использованием данного метода, позволяет уменьшить энергозатраты при ходьбе, беге и подъеме по лестнице на 24,3%, 13,1% и 15,4%, соответственно. Этот подход может стать эффективной стратегией для быстрого развития и широкого распространения различных ассистивных роботов для людей с ограниченными возможностями передвижения. — Experiment-free exoskeleton assistance via learning in simulation, «Биомолекула»: «Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги».

Выявить на одноцепочечной стадии

Мутации накапливаются в геноме каждой клетки организма на протяжении жизни, что вызывает рак и другие заболевания. Большинство мутаций начинаются со стадии однонуклеотидных несовпадений или повреждения в одной из двух цепей ДНК, прежде чем становятся двухцепочечными мутациями, если не будут исправлены. Ученые разработали метод секвенирования (HiDEF-seq), позволяющий достигать точности определения мутаций на уровне одной молекулы для замен баз при наличии их как в одной, так и в обеих цепях ДНК. Исследование позволило выявить соответствие между одноцепочечными мутациями и известными двухцепочечными мутационными событиями. Также было обнаружено инициирующее повреждение для APOBEC3A. Этот подход позволяет изучать, как возникают мутации в различных контекстах. — DNA mismatch and damage patterns revealed by single-molecule sequencing.

AlphaFold 3 — новое слово в белковом моделировании

Появление AlphaFold 2 произвело революцию в моделировании белков и их взаимодействий. И вот, в новом выпуске Nature, команды Google DeepMind и Isomorphic Labs представли обновленный AlphaFold 3, который теперь может моделировать не только белок-белковые взаимодействия, но и взаимодействия с другими биологическими молекулами. Благодаря алгоритмам глубокого машинного обучения, новая модель AlphaFold демонстрирует существенно повышенную точность по сравнению со многими предыдущими специализированными инструментами. — Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3, «Биомолекула»: «Белковые галлюцинации: как справляется AlphaFold?».

Структурка

NRC2 — важное звено иммунитета растений

Белок NRC2 играет ключевую роль в иммунитете растений, а его избыточный синтез может привести к непреднамеренному аутоиммунитету. NRC2 синтезируется клетками растений в больших количествах, однако, в норме он находится в неактивном состоянии. Механизмы ингибирования и активации NRC2 изучены более подробно в исследовании, результаты которого были опубликованы в Nature. Оказывается, белок NRC2 образует димеры, тетрамеры и олигомеры. Димеризация и олигомеризация не только стабилизируют неактивное состояние, но и удерживают NRC2 от образования активной формы. Более того, обнаружено, что молекулы пента- и гексафосфат инозитола связываются с внутренней поверхностью домена NRC2 и, судя по всему, являются кофакторами NRC. — Oligomerization-mediated autoinhibition and cofactor binding of a plant NLR.

Иммунология

Взаимодействие иммунных клеток — двигатель эволюции

Важным фактором для эволюции путем естественного отбора является наличие разнообразия среди особей в признаках, влияющих на приспособленность. Иммунная система млекопитающих эволюционирует очень быстро, и новое исследование, опубликованное в Nature, проливает свет на источники изменчивости в иммунных признаках. Так, важным фактором эволюционной способности иммунной системы является ее организация в виде так называемых взаимодействующих «модулей», представленных различными типами иммунных клеток. При этом гены, связанные с частотой определенного типа клеток, могут оказывать влияние на другой тип клеток. При этом такие гены подвергаются более слабому отрицательному отбору, что увеличивает устойчивость и, следовательно, эволюционную способность иммунной системы. — Interactions between immune cell types facilitate the evolution of immune traits.

Двойная роль IL-23

IL-23 играет важную роль в хронических воспалительных заболеваниях кишечника, который также защищает ткани и поддерживает гомеостаз после инфекции. При этом механизмы, оказывающие как положительное, так и негативное воздействие, до конца не изучены. Исследование, проведенное с использованием РНК-секвенирования, выявило преобладание Т-клеток и ILC3 (лимфоидные клетки врожденного иммунитета 3 типа) с высоким уровнем антигена CTLA-4 в ответ на IL-23. Этот путь активируется микроорганизмами и зависит от FOXO1 и STAT3 путей. Мыши без CTLA-4 на ILC3 имели больше воспалительных Т-клеток и более тяжелое воспаление кишечника. Эти результаты показывают, что CTLA-4 в ILC3 ограничивает патологические последствия IL-23, а его нарушение может способствовать хроническому воспалению кишечника. — CTLA-4-expressing ILC3s restrain interleukin-23-mediated inflammation.

Ожирение и иммунотерапия — неожиданная связь

Ожирение — один из ведущих факторов риска для прогрессирования и метастазирования многих видов рака, но в некоторых случаях может улучшать выживаемость и реакцию на иммунотерапию, блокирующую иммунные контрольные точки, например, рецептор PD-1, ингибирующий иммунные клетки. Исследование показало, что ожирение селективно повышает экспрессию PD-1 на опухолевых ассоциированных макрофагах (ТАМ), что при блокаде рецептора, в свою очередь, повышает активность Т-клеток, что улучшает ответ на иммунотерапию PD-1. — Obesity induces PD-1 on macrophages to suppress anti-tumour immunity, «Биомолекула»: «Иммунотерапия рака и молекулярная онкология — новинки на переднем крае науки».

Молекулярка

Что движет мигрирующими клетками?

Направленная миграция клеток в нашем организме происходит из-за поляризации внутриклеточных сигналов в самой клетке между ее передней и задней частями. Мы можем себе представить, почему эта поляризация существует: рецепторные тирозинкиназы и другие сигналы вызывают выпячивание мембраны на передней части клетки. Важен также механизм ингибирования, который подавляет сходные процессы на задней части клетки, чтобы предотвратить образование нескольких передних частей. О том, как происходит этот процесс, рассказывает статья, опубликованная в Nature. Исследователи выяснили, что контакты между эндоплазматической сетью (ЭПС) и плазматической мембраной поляризованы. Более того, сама ЭПС поляризована таким образом, что в передней части клетки образует небольшое количество нестабильных контактов с мембраной, а в задней части площадь, количество и стабильность этих контактов увеличивается. Результатом является образование градиента контактов между ЭП и ПМ, который направляет клеточную сигнализацию, контролирует движение клеток и их миграцию. — Endoplasmic reticulum–plasma membrane contact gradients direct cell migration.

Геномика

Биомолекулярные следы малярии в истории человечества

Историю человечества можно изучать не только по учебникам и археологическим раскопкам, но и по некоторым болезням. Исследование геномов простейших рода Plasmodium, вызывающих малярию, показало, что болезнь существовала уже в IV тысячелетии до н.э. Митохондриальные и ядерные геномы также показали, что малярия была распространена на всем Евразийском континенте задолго до письменных источников о ней. Геномный анализ указывает на разные истории распространения малярии в США. Найденные данные о наличии плазмодия в Гималаях добавляют знаний о межкультурных связях в этом регионе примерно три тысячелетия назад. Исследование, опубликованное в Nature, подчеркивает роль культурных контактов в распространении малярии и служит основой для будущих исследований влияния этих паразитов на историю человечества. — Ancient Plasmodium genomes shed light on the history of human malaria, «Биомолекула»: «Малярия. 15 фактов о болотной лихорадке».

Изучение мутагенеза с разрешением одной цепи

Повреждение оснований ДНК — основной источник онкогенных мутаций. В двухцепочечной молекуле ДНК многие процессы для обеих нитей идут ассиметрично: так, репликация и транскрипция требуют участия разных ферментов для цепей. В новом исследовании, опубликованном в Nature, ученые изучили, как асимметричные механизмы формируют толерантность и восстановление повреждений ДНК, тем самым формируя эволюцию ракового генома. Они также выяснили, что на процесс формирования мутаций в большей степени влияет доступность ДНК к репарации, чем само количество повреждений нити. — Strand-resolved mutagenicity of DNA damage and repair.

Генетические факторы мозаичной потери X-хромосомы

Мозаичная потеря X-хромосомы (mLOX) — это заболевание, при котором у некоторых клеток организма отсутствует одна из двух Х-хромосом. Ученые исследовали данные 883 574 участниц из восьми биобанков и установили, что у 12% женщин выявлена мозаичная потеря Х-хромосомы в 2% лейкоцитов, что увеличивает риск развития лейкозов. Генетический анализ выявил 56 частых генетических вариантов, связанных с мозаичной потерей Х-хромосомы, что указывает на участие этих генов в предрасположенности к раку и аутоиммунным заболеваниям. Результаты показывают, что женщины с определенным генотипом предрасположены к мозаичной потере Х-хромосомы, при этом аллельный состав Х-хромосомы, возможно, определяет величину клональной экспансии. — Genetic drivers and cellular selection of female mosaic X chromosome loss, «Биомолекула»: «Геномная головоломка: открой в себе мозаика».

Зоология

Секрет полета

Исследуя строение дыхательной системы птиц, недавно ученые обнаружили субпекторальный дивертикул (SPD) — отросток дыхательных мешков, расположенный между мышцами, отвечающими за взмахи крыла. Исследовав легочный аппарат 68 видов птиц, ученые обнаружили, что SPD присутствует практически у всех изученных видов хищных птиц, способных парить, но отсутствует у непарящих. При этом SPD не является необходимым для дыхания органом, но увеличивает рычаг грудной мышцы, что в сочетании с особым строением грудных мышц адаптирует строение птицы к парящему полету. Это подтверждает, что дыхательная система может быть задействована для механических решений во время полета, что влияет на эволюцию птиц. — The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds.

Физиология

Потеря сна влияет на функцию гиппокампа

Исследование, результаты которого можно прочитать в Nature, показало, что потеря сна влияет на функцию гиппокампа, при этом воспроизведение воспоминаний во время фазы острой волновой пульсации гиппокампа (SWR) является ключевым процессом. Ученые изучали активность нейронов в течение 12 часов у крыс в различных состояниях: во время сна, лишения сна и восстановительного сна. Во время лишения сна частота SWR оказалась выше, но их сила была ниже. Реактивация и воспроизведение паттернов возбуждения нейронов уменьшились во время лишения сна, но частично восстановилось после восстановительного сна. Это показывает негативные последствия потери сна на функцию гиппокампа. — Sleep loss diminishes hippocampal reactivation and replay, «Биомолекула»: «Ночь без сна улучшает настроение».

Надежда на избавление от симптома поликистозных яичников

Синдром поликистозных яичников (СПКЯ) — проблема миллионов женщин во всем мире, которая приходит в репродуктивном возрасте и влияет на женское здоровье и возможность забеременеть и выносить ребенка. До настоящего времени терапия данного заболевания включала лишь устранение симптомов. Однако в новом выпуске Science исследователи предлагают новый терапевтический подход: артемизинины, соединения, известные своими противомалярийными свойствами, подавляют синтез андрогенов яичниками, что делает данный метод довольно многообещающим. — Artemisinins ameliorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction, «Биомолекула»: «Прорыв в лечении бесплодия».

Здоровая регенерация печени зависит от митохондрий

Восстановление печени после повреждения требует пролиферации здоровых клеток без деления поврежденных или больных клеток. И ключевую роль в этом процессе, как показало новое исследование, опубликованное в Science, играют митохондрии. При патологических состояниях больные участки печени содержат мутации в митохондриальном геноме, что приводит к дисфункции в электронной транспортной цепи, необходимой для клеточного дыхания. Это не убивает клетки моментально, но делает их менее приспособленными и снижает их возможность к делению. — Metabolic inflexibility promotes mitochondrial health during liver regeneration, «Биомолекула»: «„Резервный“ механизм восстановления печени».

Генная терапия

Преодолевая гематоэнцефалический барьер

Ученые добились значительного прогресса в разработке генной терапии с использованием векторов аденоассоциированного вируса (AAV), однако этот подход до сих пор не работал для лечения заболеваний мозга. Проблема заключается в гематоэнцефалическом барьере (ГЭБ), а точнее, в невозможности его преодоления. Группа исследователей, опубликовавшая свою работу в Science, идентифицировали AAV, специфически направленный на человеческий трансферрин — рецептор, который экспрессируется на ГЭБ. Используя трансгенных мышей, экспрессирующих этот человеческий белок, авторы показали, что их оптимизированный AAV может проникнуть в центральную нервную систему и доставить терапевтически значимый белок. — An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery, «Биомолекула»: «Время первых: как аде­но­ас­со­ци­и­ро­ван­ные вирусы стали лучшими в доставке генов in vivo».

Внутривенный путь в легкие

Генная терапия муковисцидоза на протяжении долгого времени оставалась трудной задачей: дело в том, что доставка препаратов путем ингаляции неэффективна из-за естественного эпителиального барьера дыхательных путей. В норме этот барьер защищает наши легкие от вдыхаемых частиц и патогенов, однако для более чем 20 клинических испытаний это стало помехой. Группа исследователей в новом выпуске сообщают о внутривенном введении липидных наночастиц (LNP), содержащих инструменты редактирования генома CRISPR, на мышиной модели муковисцидоза — и терапевтически значимый эффект был достигнут. — In vivo editing of lung stem cells for durable gene correction in mice.

Микробиология

Как бактерии устраняют конкурентов

С точки зрения сельского хозяйства чрезвычайно важно понимание факторов, влияющих на распространенность патогенов растений. Действительно, мы мало что знаем, например, о взаимодействии бактериофагов и бактерий в естественной среде. Новая работа, опубликованная в Science, посвящена исследованию бактерии Pseudomonas viridiflava, заражающей арабидопсис. Исследователи выявили кластер вирусных генов, кодирующих белок тайлоцин. Он убивал ряд близкородственных микроорганизмов, но не имел никакого воздействия на неродственных — тех, кого нельзя считать конкурентами. — A phage tail–like bacteriocin suppresses competitors in metapopulations of pathogenic bacteria, «Биомолекула»: «Бактериофаги».