Генная инженерия

Редактирование генома — не CRISPR

Популярная система редактирования генома CRISPR-Cas9 представляет из себя аппарат противовирусной защиты бактерий: бактерия встраивает в свой геном кусочек чужой нуклеиновой кислоты, чтобы потом при следующей встрече уничтожить его.

Но оказалось, что бактериям есть, что еще предложить для генной инженерии. И без ученых перестройки в ДНК могут осуществляться благодаря наличию различных мобильных генетических элементов (МГЭ): транспозонов, плазмид, вирусных нуклеиновых кислот. Все они могут встраиваться и вырезаться из генома. Самым простым вариантом МГЭ являются бактериальные инсерционные последовательности, они содержат в своей нуклеотидной последовательности только то, что необходимо для их перемещения, а именно фермент транспозазу, не берут с собой ничего лишнего.

Но все же в этих элементах есть небольшие некодирующие последовательности, которые особенно велики у группы IS110. Часть из этих последовательностей тоже нужна для путешествий. Выяснилось, что с них транскрибируется особая некодирующая РНК, она формирует петли, которые специфично и комплементарно связываются с самой последовательностью IS, а также с участком в геноме, в который она будет встроена. Такую РНК назвали Bridge RNA (мостиковая РНК), а сам процесс мостиковой рекомбинацией, транспозазу авторы статьи в Nature в данном случае, для большей корректности называют рекомбиназой. Исследователи показали, что петли РНК, связывающие участки ДНК-вставки и ДНК-мишени, можно перепрограммировать, чтобы они связывали нужные последовательности, и так использовать для редактирования генома. — Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA.

Экология

Кто фиксирует азот в океане?

Многим знакомы клубеньковые бактерии, которые вступают в симбиоз с корнями бобовых и переводят атмосферный азот в формы, которые могут усвоить растения, например в аммиак, но они находятся на суше. Что происходит в морях? Известно, что в океане распространены цианобактерии, которые тоже способны включать азот в круговорот веществ, проходящий через живых существ, раньше только им отводилась эта крайне важная роль. Новая статья в Nature рассказывает, что фиксация азота не является личной привилегией цианобактерий, она делит эту роль с Candidatus Tectiglobus diatomicola, находящейся в симбиозе с диатомовыми водорослями. Интересно, что бактерия относится к отряду Rhizobiales, как и клубеньковые бактерии, и осуществляет фиксацию азота тоже в сотрудничестве с другими организмами. — Rhizobia–diatom symbiosis fixes missing nitrogen in the ocean.

Палеонтология

Скрытый пеплом внутренний мир трилобита

Хотя трилобиты известны достаточно подробно, благодаря изобилию в палеонтологической летописи, их внутреннее строение изучено хуже, поскольку мягкие ткани плохо сохраняются, их очень сложно реконструировать. Недавно обнаруженные окаменелости трилобитов в породах кембрийского возраста в Марокко позволили ученым узнать больше о том, что скрывается под плотным панцирем животного, воспроизвести трехмерную анатомию мягких тканей, подробно реконструировать их пищеварительную систему. Потрясающую сохранность обеспечило быстрое погребение организмов под пеплом, во время извержения вулкана, которое произошло более 500 миллионов лет назад, подобную поразительную сохранность наблюдали и после извержения Везувия. Эти находки подчеркивают значимость палеонтологических исследований морских отложений пепла. — Rapid volcanic ash entombment reveals the 3D anatomy of Cambrian trilobites.

Темное прошлое губок

История возникновения губок крайне неоднозначна. Молекулярные часы и биомаркеры свидетельствуют, что они должны были существовать задолго до кембрийского взрыва, еще в протерозое. Но главный археологический атрибут губок — их кремниевые спикулы находят только начиная с кембрия, более ранние находки не удавалось достоверно отнести к губкам. Недавняя находка из формации Дэнъин, расположенной в Южном Китае, проливает немного света на такое противоречие. Обнаруженное ископаемое было реконструировано, как крупный бентосный организм с кубкообразным телом высотой более 0,4 метра, стенка которого содержит решетки, состоящие из крестообразных элементов, которые образуют органический скелет. Сами кресты очень похожи на спикулы губок гексакантеллид, но не являются биоминерализованными. Организм назвали Helicolocellus cantori, Байесовский филогенетический анализ определяет его, как губку, родственную Hexactinellida. Находка подтверждает, что губки существовали в докембрии, как животные с органическим скелетом, лишенным минерализации кремнием. Кроме того, авторы ставят под сомнение необходимость рассматривать наличие кремневых спикул, как обязательный критерий для идентификации докембрийских окаменелостей, которые могут быть губками. — A late-Ediacaran crown-group sponge animal.

Молекулярная биология

Аргонавт и нуклеазы против чужих плазмид

У эукариот белки Aurogonaute входят в состав комплекса RISC и являются ключевыми элементами РНК-интерференции. Они участвуют в образовании малых интерферирующих РНК, а также проявляют нуклеазную активность по отношению к РНК, комплиментарным малым интерфирирующим РНК,  кроме того Aurogonaute может блокировать трансляцию или деаденилировать мРНК. У бактерий же эти белки мельче, в одиночку они не справляются с расщеплением нуклеиновых кислот, поэтому разрушают ДНК вместе с вспомогательными нуклеазами. Так статья Nature описывает совместную работу геликазы-нуклеазы DdmD и бактериального Aurogonaute — pAgo. Работа такого комплекса обеспечивает защиту бактерий от плазмид и вирусов, которые постоянно их атакуют. — Plasmid targeting and destruction by the DdmDE bacterial defence system.

Структурная биология

Механизм нейтрализации вируса кори антителом mAb 77

Вспышки кори все чаще фиксируются в разных странах из-за уменьшения охватов вакцинации, а эффективного и разрешенного лекарства пока не существует. Перспективными являются нейтрализующие моноклональные антитела, которые препятствуют слиянию оболочки вируса с мембраной хозяина, в новой статье в Science представлена характеристика работы антитела mAb 77, которое связывается с белком слияния F вируса кори. Этот поверхностный белок участвует не только в проникновении вируса в клетку, позже он обеспечивает формирование синцития из клеток хозяина, соединяя мембраны клеток, что способствует распространению болезни в организме. С помощью криоэлектронной микроскопии исследователи выявили несколько конформационных состояний, которые сменяются в белке F при слиянии, выяснили с каким промежуточным состоянием связывается антитело, с какими структурами оно при этом взаимодействует. Показали, что оно связывается с тримером F белков, позволяет им связаться с мембраной клетки, но не дает сблизить мембраны и слить их, вместо этого тример распадается на мономеры, антитело блокирует дальнейшие перегруппировке в протомере, таким образом останавливание проникновение вируса, либо образования синцития. Подробная пространственная характеристика взаимодействия антитела с мишенью приближает людей к использованию нейтрализующих антител для лечения кори. — A neutralizing antibody prevents postfusion transition of measles virus fusion protein. Узнать больше о том, как вирусы образуют синцитий с помощью белков слияния можно из статьи «Биомолекулы» «Преодолевая барьеры (как объединить необъединимое)».

Как гребневики сопротивляются давлению

Гребневики — загадочные морские обитатели, напоминающие желе, которое передвигается с помощью переливающихся рядов крошечных ресничек, расположенных вдоль тела. Исследование мембран этих животных открыло молекулярный механизм устойчивости к давлению, которое нарастает в морях с глубиной. Оказалось, что в их цитолемме много плазмалогенов — фосфолипидов, которые содержат в своем составе не только жирные кислоты, но и спирты связанные простой эфирной связью. При низком давлении эти компоненты скорее мешают нормальной кривизне мембраны, но при высоком, наоборот, поддерживают нормальную форму и целостность клеток. Экспериментально было показано, что синтез плазмалогенов у Escherichia coli повышает ее устойчивость к высоким давлениям. — Homeocurvature adaptation of phospholipids to pressure in deep-sea invertebrates.

Эпигенетика

Эпигенетический редактор от прионных заболеваний

Прионы вызывают очень опасные и пугающие в своем развитии болезни. Белки аномальной формы заставляют другие белки становиться неправильными, из-за этого в мозге накапливаются токсичные бляшки, что в итоге приводит к смертельному исходу. Белки неправильной структуры могут попасть в организм извне, а могут появиться из-за мутации в гене, кодирующем белок PrP. Одним из разрабатываемых подходов к лечению является редактирование последовательности ДНК с опасным белком с помощью систем CRISPR. Но у этой системы существуют некоторые недостатки: их тяжело доставлять в клетки, последствия редактирования и масштаб изменений не всегда можно точно предсказать. Исследователи из Кембриджа разработали эпигенетический редактор CHARM, который доставляется с помощью аденовируса, связывается с гистоном H3 и активирует метилтрансферазы, которые уже синтезировались в клетке, а они свою очередь метилируют промотор прионного гена, что подавляет его экспрессию. Кроме того ученые разработали такой вариант CHARM-а, который инактивируется после работы, что позволяет снизить возможные незапланированные эффекты. Новый эпигенетический редактор имеет много преимуществ перед предыдущими, возможно в будущем подобные разработки можно будет применять для лечения самых разных заболеваний. — Brainwide silencing of prion protein by AAV-mediated delivery of an engineered compact epigenetic editor.

Иммунология

Генетический контроль аллергических реакций II типа

Иммунная система с одной стороны оберегает нас от всех угроз, но иногда ее опека чрезмерна: организм реагирует на безобидные вещи, как на страшную угрозу. Одним из примеров таких излишних ответов является аллергическая реакция второго типа, при которой аллерген располагается на мембране своих клеток, распознается антигенпрезентирующими клетками, которые взаимодействуют с лимфоцитами, которые уже опосредуют развитие иммунного ответа, который заканчивается цитолизом клетки своего организма. Раннее было известно, что транскрипционный фактор GATA3 контролирует дифференцировку наивных лимфоцитов в их рабочие подтипы 2 типа: врожденные лимфоидные клетки 2 (ILC2) и Т-хелперные клетки 2 (TH2). Сейчас, благодаря исследованиям на мышиной модели с системой CRISPR, ученые обнаружили, что другой фактор транскрипции — Mef2d, усиливает экспрессию GATA3, а также цитокина 2 типа и интерлейкина-13. На мышах без Mef2d было показано, что он контролирует функции лимфоцитов при воспалении легких, опосредованном аллергической реакцией второго типа. — Mef2d potentiates type-2 immune responses and allergic lung inflammation.

Панкреатит при раке поджелудочной создает окно для иммунотерапии

Хронические воспаления и травматизация повышают вероятность возникновения рака. Известно, что панкреатит увеличивает риск развития и прогрессирования аденокарциномы поджелудочной железы. Но помимо однозначно ужасного влияния панкреатита, у такого состояния есть особенность, которая может обеспечить большую чувствительность рака с воспалением к иммунотерапии, по сравнению с аденокарциномой, не отягощенной панкреатитом. Оказалось, что рак развивающийся при панкреатите более чувствителен к иммунотерапии. Панкреатит приводит к накоплению в поджелудочной железе дендритных клеток 1-го типа, которые подавляют Т-клетки, которые могут излишне разрушать собственные ткани. Именно наличие дендритных клеток, по мнению исследователей, повышает эффективность иммунотерапии в совокупности с введением антигенспецифической вакцины с дендритными клетками первого типа при раке у мышей. — Type I conventional dendritic cells facilitate immunotherapy in pancreatic cancer.

Нейробиология

Роль старения нейронов в нейродегенеративных заболеваниях

Под старением клеток обычно понимают потерю способности к делению при сохранении метаболической активности, но нейроны в большинстве своем слабо размножаются во взрослом состоянии, что для них является старением? Разные исследования показали, что старением нейрона можно считать ослабление обработки информации нейроном, когда метаболическая активность сохранена. Старение происходит во многом из-за воздействия активных форм кислорода, нарушений в ДНК, которые накапливаются в течение жизни клетки. Интересно, что разные нейроны имеют разную уязвимость по отношению к времени, например стареющие корковые возбуждающие нейроны встречаются чаще всего, а нейроны производящие ГАМК оказываются старыми реже. Еще более интересно то, что определенные типы нейронов обнаруживают стареющими при нейродегенеративных заболеваниях, например внешние признаки старения проявляются в дофаминергических нейронах среднего мозга при Паркинсоне. В целом стареющие нейроны более характерны для патологических состояний. Исследование конкретных процессов при старении нейронов в возрастном мозге, выяснение, какие из этих процессов могут играть роль в болезнях, является важной задачей медицины, особенно учитывая увеличение продолжительности жизни в мире, а с ней и частоты возрастных заболеваний нервной системы. — Neuronal senescence may drive brain aging.