Эволюция

Как развивался тимус

Известно, что тимус является важным органом иммунной системы, который регулирует процессы созревания и иммунологического «обучения» Т-лимфоцитов. Эти белые кровяные клетки «правят бал» в нашей иммунной устойчивости и отличают собственные клетки организма от чужеродных. При этом важную роль в Т-клеточном обучении играют мимикрические клетки тимуса. Эти клетки могут имитировать антигены (специфичные молекулы, которые распознаются иммунной системой) других типов клеток, включая и Т-лимфоциты. Одной из субпопуляций Т-лимфоцитов являются самотолерантные, или регуляторные Т-клетки (T_reg). Они являются важной частью иммунной системы и обеспечивают толерантность организма к собственным антигенам (аутоантигенам) — белкам или белковым комплексам (а также комплексам белков с ДНК или РНК), которые в норме не вызывают иммунной реакции, но распознаются как чужеродные при развитии аутоиммунных заболеваний. Генерация репертуаров таких регуляторных Т-клеток зависит от экспрессии периферических аутоантигенов в эпителиальных клетках тимуса, а также от присутствия небольших популяций мимикрических клеток.

На сегодняшний день молекулярные основы экспрессии аутоантигенов были тщательно изучены, однако зарождение, развитие и пути дифференцировки мимикрических клеток тимуса еще только предстоит идентифицировать. Более того, гистологическая идентификация различных типов периферических клеток в микроокружении тимуса у многих видов позвоночных поднимает вопросы, касающиеся эволюционного развития уникального механизма толерантности, описанного выше.

В своем исследовании авторы показывают, что в процессе развития мыши мимикрические клетки появляются в микроокружении тимуса в двух последовательных направлениях. Клетки, которые демонстрируют транскрипционные механизмы, характерные для мышечных клеток, бокаловидных клеток, клеток слизистой и ресничных клеток и появляются еще до рождения, тогда как другие, имитирующие энтерогепатические клетки и кератиноциты кожи, появляются в период уже постнатального развития.

Эти две группы также по-разному реагируют на изменения в предшественниках эпителиальных клеток тимуса, вызванных делециями генов, кодирующих транскрипционные факторы FOXN1 и ASCL1, а также на экспрессию гипоморфного варианта транскрипционного фактора FOXN1 и сверхэкспрессию некоторых сигнальных молекул. Различия в популяциях мимикрических клеток также наблюдались в микроокружении тимуса и в случае замены мышиного гена Foxn1 на эволюционно более древний ген семейства Foxn1/4, включая ген Foxn4 of ланцетника головохордовых и гены Foxn4 и Foxn1 хрящевой рыбы. Также авторы обнаружили, что некоторые типы клеток, такие как ресничные клетки, развиваются в тимусе в отсутствие фактора FOXN1, в то время как другие типы клеток, которые появляются постнатально, такие как энтерогепатические клетки, требуют его присутствия. Тимусы хрящевых рыб и бесчелюстных позвоночных, которые демонстрируют альтернативную адаптивную иммунную систему, также содержат клетки, которые экспрессируют гены, кодирующие компоненты периферической ткани, такие как транспортный белок транстиретин, синтезируемый в печени.

Авторы отмечают, что полученные в работе результаты демонстрируют эволюционную модель последовательных изменений эпителиальных генетических сетей тимуса, которые обеспечивают скоординированный процесс экспрессии периферических антигенов и образование мимикрических клеток для достижения центральной толерантности к более новым тканям, специфичным именно для позвоночных, например, к печени. — Developmental trajectory and evolutionary origin of thymic mimetic cells, «Биомолекула»: «Наивные Т-клетки — ключ к долголетию», «Будем знакомы, меня зовут Тимус!».

Биохимия

Биохимический прорыв в противораковом производстве

Не секрет, что растения способны синтезировать сложные и мощные терапевтические агенты, однако получение этих веществ из природных источников или с помощью химического синтеза является непростой задачей, что, в свою очередь, препятствует их активному использованию в клинической среде. Ярким примером в этой сфере является паклитаксел (таксол). Это мощный агент, обнаруженный в тисовых деревьях (Taxus) в рамках кампании скрининга Национального института рака в 1960-х и 1970-х годах, который остается одним из наиболее ценных химиотерапевтических средств, используемых в клинике. После его одобрения для лечения рака яичников Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарств США (FDA) в 1992 году, этот дитерпеноид стал самым продаваемым фармацевтическим препаратом и остается активным компонентом различных лекарственных составов. Такое обширное использование в сочетании с его химической сложностью и низкой доступностью (0,001–0,050% сухого веса в коре) сделало его одной из наиболее востребованных молекул для синтеза. Тем не менее, несмотря на полвека исследований, прорыва в этой сфере так и не было достигнуто. До сих пор.

В представленной работе авторы учли обширность растительного генома, богатого ферментами, и необходимость использовать что-то большее, чем стандартное РНК-секвенирование и анализ коэкспрессии. В своем исследовании они разработали стратегию mpXsn мультиплексного возмущения на единичном ядре (multiplexed perturbation × single nuclei), которая позволила значительно улучшить разрешение транскрипционного анализа. Благодаря этому они обнаружили, что гены биосинтеза паклитаксела объединены в различные модули экспрессии. Идентификация этих модулей позволила открыть семь новых генов, с помощью которых возможно реализовать de novo биосинтез и выделение баккатина III — промышленного предшественника таксола, в листьях Nicotiana Benthamiana, в количествах, сравнимых с объемами, получаемыми в Taxus.

В своем исследовании авторы совершили настоящий прорыв в понимании генетических механизмов, ответственных за продукцию данного вещества. А полученные результаты являются серьезным скачком в попытках обеспечить широкое производства паклитаксела для терапии. — Discovery of FoTO1 and Taxol genes enables biosynthesis of baccatin III.

Митохондрии на страже кишечника

В двадцатом веке митохондрии в основном были известны своей ролью в создании молекул АТФ, переносящих энергию посредством разрушения белков, жиров и углеводов. Также было известно, что они производят метаболиты, которые управляют путями биосинтеза, необходимыми для создания макромолекул и клеточного роста. Однако в двадцать первом веке митохондрии все больше воспринимаются как вершители клеточной судьбы и функциональности.

В своем исследовании авторы обратили внимание на важную роль α-кетоглутарата (α-KG) — митохондриального метаболита, участвующего цикле трикарбоновых кислот (TCA) и, как оказалось, в жизни кишечных стволовых клеток.

Дело в том, что кишечные стволовые клетки млекопитающего (intestinal stem cells — ISC) проходят процесс иерархической дифференцировки: имеют возможность самообновляться и генерировать клеточные подтипы, которые впоследствии и составляют кишечный эпителий, обеспечивая его здоровое функционирование. По мере того, как ISC делятся, дочерние клетки мигрируют в транзиторный клеточный компартмент, где они генерируют клетки-предшественники. Последующая активация специализированных транскрипционных программ приводит к полной дифференцировке этих предшественников в зрелые поглощающие и секреторные клеточные линии кишечного эпителия. Поглощающие клетки энтероциты образуют поверхность в кишечнике, которая у человека суммарно составляет 260–300 м². Секреторная линия производит меньший, но более разнообразный пул клеток, включающий в себя бокаловидные клетки, клетки Панета, эндокринные и секреторные клетки, которые участвуют в иммунной защите, выработке ферментов, секреции слизи и других функциях кишечника.

Для производства энергии ISC полагаются в основном на процесс гликолиза. Используя в качестве модельной системы кишечник мыши, исследователи выяснили, как именно цикл TCA влияет на клеточную судьбу. Анализ данных РНК-секвенирования единичных клеток кишечника и количественный ПЦР анализ показали, что синтез ферментов TCA цикла происходит отнюдь не повсеместно, как считалось ранее, а характеризуется высокой гетерогенностью. Поглощающие клетки демонстрировали значительный уровень экспрессии компонентов αKG-дегидрогеназного комплекса, в то время, как секреторная линия характеризовалась сниженными уровнями экспрессии аналогичных ферментов.

Используя свою модель, исследователи обнаружили, что 2-оксоглутаратдегидрогеназа (OGDH) — ферментативная субъединица комплекса αKG-дегидрогеназы — играет двойную, специфичную для клеточных линий роль. В поглощающей линии OGDH активируется факторами транскрипции HNF4 для поддержания биоэнергетических и биосинтетических потребностей энтероцитов. В то же время, в секреторной линии OGDH подавляется через процесс, который при моделировании увеличивает уровни αKG и стимулирует дифференцировку секреторных клеток. Опираясь на эти наблюдения, авторы продемонстрировали, что на мышиной модели колита с нарушенной дифференцировки ISC, ингибирование OGDH или лекарственные добавки с αKG обращают нарушения вспять и способствуют заживлению тканей. Авторы подчеркивают, что, вопреки представлениям о конститутивной экспрессии генов, кодирующих основные метаболические ферменты («генов домашнего хозяйства») во всех типах клеток, их исследование выявляет динамическую и специфичную для линии транскрипционную регуляцию этих генов. Кроме того, эти результаты демонстрируют потенциал таких метаболических вмешательств извне в качестве перспективной терапии при лечении многих комплексных заболеваний кишечника и не только. — Metabolic adaptations direct cell fate during tissue regeneration, «Биомолекула»: «Тайная жизнь митохондрий».

Нейробиология

От реальности к фантазиям: как мозг в этом ориентируется

Известно, что реальные и воображаемые изображения обрабатываются в мозге с использованием одних и тех же систем, однако как же тогда большинство людей успешно их различают? Нейробиологам удалось идентифицировать две области мозга, которые сохраняют наши фантазии отдельно от реальности.

«Умение отделять свой внутренний мир от текущей реальности — крайне полезная способность для нормального функционирования в повседневной жизни», — говорит один из авторов работы Надин Дейкстра, когнитивный нейробиолог из Университетского колледжа Лондона в Великобритании.

Дейкстра и ее коллеги разработали оригинальный метод исследования пределов способности людей различать реальные и воображаемые миры. Это включало в себя показ добровольцам черно-белых полос различной прозрачности на фоне, напоминающем телевизионную статику. В некоторых испытаниях исследователи просили участников представить полосы, когда они смотрели на изображение, и сообщить, действительно ли они видят полосы, и если да, то насколько они яркие. Когда участники думали, что полосы были более яркими, они с большей вероятностью сообщали о них как о реальных, независимо от того, были ли полосы на самом деле.

Чтобы соотносить наблюдения участников с активностью мозга, исследователи в процессе просмотра изображений с полосками и без использовали показатели их магнитно-резонансной томографии. Показания МРТ, которые опираются на изменения кровотока в качестве индикатора мозговой активности, проиллюстрировали, что активность в области, называемой веретенообразной извилиной, четко коррелировала с обозначенной яркостью полос. Нейробиологи уже знали, что веретенообразная извилина обрабатывает визуальную информацию высокого уровня, однако ее роль в разделении воображаемых изображений и реальных ранее была неизвестна.

«Исследователи пытаются измерить, а затем смоделировать важную, но абстрактную концепцию — взаимодействие между воображением и зрением — которая до сих пор была лишь философским вопросом», — говорит Томас Населарис, нейробиолог из Университета Миннесоты. — How the brain separates real images from those it imagines.

Искусственный интеллект

Искусство под маской ИИ

За многие годы, а иногда и века своего существования, картина претерпевает различные изменения под воздействия света, качества воздуха, колебаний температур и химических реакций в слоях краски. Эти факторы могут спустя время вызывать трещины, обесцвечивание и отслаивание краски, неумолимо искажая изображение. Сохранение и восстановление картин предполагает кропотливую ручную реставрацию, которая порой занимает долгие месяцы, а кроме того подразумевает значительные материальные траты. Причем, если технология реставрации будет нарушена, то она может необратимо навредить произведению искусства. Именно по этим причинам около 70% картин в составе музейных коллекций просто скрыты от общественных глаз.

В своей работе авторы представляют альтернативное решение — цифровую реставрацию картины. C помощью цифровой маски авторам удалось восстановить 5612 потерь, общей площадью 66 205 мм² и 57 314 оттенков на масляном произведении искуства, датируемом концом XV века и относящимся к работам Мастера поклонения из Прадо — анонимного художника, работавшего в Испании. Процесс заполнения занял 3,5 часа. Чтобы обеспечить эффективность реставрации, этические принципы в сохранении живописи были введены количественно на стадии конструирования цифровой маски. Авторы подчеркивают, что данный метод в перспективе может позволить вновь демонстрировать на широкую аудиторию шедевры живописи, скрытые до сих пор. — Physical restoration of a painting with a digitally constructed mask.

Молекулярная биология

Отравить и съесть: бактериальные стратегии выживания

Бактерии выработали множество способов нейтрализовывать близлежащие клетки, чаще всего путем выделения в окружающее пространство токсинов, вторичных метаболитов-антибиотиков или токсичных побочных продукты метаболизма. Многие бактерии также обладают механизмами прямого контактного убийства. Например, к ним относится система секреции IV и VI типов (T4SS и T6SS, соответственно), с помощью которых бактерия внедряет молекулярную иглу в клетку-соперника, чтобы ввести в нее токсин. При этом у атакующей бактерии всегда есть антидот к собственным токсинам, чтобы не убивать себя или своих сородичей. Очевидно, что такой инструмент обеспечивает своим носителям весомое преимущество, ведь он позволяет уничтожать конкурирующие клетки, которые могли бы потреблять те же ресурсы.

Однако в своем исследовании авторы обнаружили, что эти бактериофагоподобные механизмы, а именно система T6SS, также могут использоваться для «подпитки» после уничтожения клеток-мишеней. Используя метод одноклеточной визуализации в реальном времени и изотопные маркеры, они продемонстрировали, что во время голодания, система секреции VI типа (T6SS) медленно лизирует соседние клетки. Таким образом, если один вид лишался легкодоступного источника пищи, он выживал за счет другого вида, который мог переносить условия дефицита питательных веществ. Полученные результаты позволяют предположить, что T6SS — и, возможно, другие механизмы бактериального антагонизма — могут использоваться не только для создания пространства за счет устранения конкурентов, но и в качестве хищнического механизма питания в условиях ограниченности ресурсов. — Antagonism as a foraging strategy in microbial communities.

Как транскрипты РНК регулируют G-квадруплексы

Геномная ДНК обычно образует двойную спиральную структуру. Однако она также может сворачиваться в альтернативные конформации, такие как G-квадруплексные (G4) структуры. G4-структуры действуют как регуляторы транскрипции, но при отсутствии надлежащего контроля они могут угрожать целостности генома, а то, как именно контролируется динамика G4, до сих пор довольно плохо изучено.

Используя яичный экстракт лягушки Xenopus laevis и модели клеток млекопитающих, исследователи раскрыли в своей работе сложный механизм, управляющий G4-структурами в масштабах всего генома. Выяснилось, что G4-участки распознаются как повреждения ДНК, что, в свою очередь, запускает направленную гомологичную инвазию РНК в цепь напротив G4-участка и формирование структуры «G-петля». Разрушение G-петли приводит к распаду и раскручиванию G4, которое запускает нуклеотическое расщепление и последующее обновление РНК-содержащей гибридной цепи посредством синтеза ДНК. Подавление этого процесса приводит к глобальному накоплению G4, что вызывает дисрегуляцию транскриптома, нарушение репликации и нестабильность генома. Эти результаты позволяют предположить наличие сложного механизма сборки-разрушения G4-квадруплексов и важную роль РНК-транскриптов в восстановлении архитектуры генома и поддержании его целостности и функционирования для клеточного гомеостаза и выживания. — RNA transcripts regulate G-quadruplex landscapes through G-loop formation.

Онкология

Где зарождается рак легких

Несмотря на обширные успехи агитационных кампаний и принятых мер в борьбе с курением, рак легких, вызванный воздействием табака, по прежнему остается крайне распространенным и смертельным заболеванием. Плоскоклеточный рак легких является вторым по распространенности подтипом и развивается поэтапно, начиная с преинвазивного поражения бронхиального эпителия. В том числе поэтому данный вид рака обычно обнаруживают спустя много лет или десятилетий после первой выкуренной сигареты. В этой связи можно предположить, что детальное изучение предраковых изменений в легких поможет выявить пациентов из группы риска и разработать методы терапевтического вмешательства в ход болезни еще на ранних стадиях. Ведь биологические механизмы, лежащие в основе перехода нормального эпителия в предраковое состояние, все еще недостаточно изучены.

На данный момент известно, что нормальный трахеобронхиальный эпителий поддерживается базальными клетками, которые делятся для самообновления. Базальные клетки в норме естественным образом накапливают мутации в течение жизни человека, однако воздействие сильных мутагенов, содержащихся в табачном дыме, значительно повышает частоту таких мутаций. В своем исследовании авторы решили выяснить, какие клеточные процессы приводят к образованию предраковых поражений, отслеживая траектории базальных клеток в мышиной модели плоскоклеточного рака легких, вызванного канцерогенами, и выявляя изменения клеточного состояния в нормальном эпителии дыхательных путей у курильщиков.

Авторы обнаружили, что воздействие канцерогенов приводит к конкуренции между нормальными и мутантыми клонами базальных клеток и к доминированию мутантных клонов в бронхиальном древе в конечном счете. Это, в свою очередь, связано с изменениями в дифференцировке базальных клеток. Такие отклонения неумолимо приводят к нарушению гомеостаза базальных клеток, увеличению количества клеток в переходном состоянии и снижению их дифференциации. Кроме того, и у мышей, и у людей авторы обнаружили клонально связанные поражения в различных анатомических областях, что указывает на аномальную миграцию клеток-предшественников рака. В конечном счете было обнаружено, что преинвазивные поражения развиваются из нескольких сильно мутировавших клонов, которые доминируют в большей части бронхиального дерева.

Полученные результаты иллюстрируют, что расширение пула мутировавших базальных клеток в сочетании с их аномальной миграцией являются ключевыми событиями в инициации плоскоклеточного рака легких. Кроме того, эти данные обеспечивают концептуальную основу для будущих исследований биологии предраковых образований и могут открыть новые возможности для выявления рака легких на ранних стадиях. — Aberrant basal cell clonal dynamics shape early lung carcinogenesis, «Биомолекула»: «Вдох-выдох: связь между развитием рака легких и загрязнением воздуха».

Медицина

Переосмысление желтухи

Малярия по-прежнему остается одним из самых разрушительных инфекционных заболеваний в мире. Ее вызывают простейшие паразиты рода Plasmodium, которые передаются комарами рода Anopheles. Plasmodium проникают в эритроциты и размножаются в них, вызывая гемолиз и нейтрализуя окислительно-восстановительные условия, обусловленные высоким уровнем железа, превращают гем в инертные кристаллы гемозоина. К сожалению, лекарственная устойчивость, как и устойчивость к инсектицидам, а также изменения климата угрожают прогрессу в борьбе, профилактике и лечении малярии.

Тем не менее известно, что генетические особенности человека обеспечивают некоторую защиту от малярии и распространены в регионах, эндемичных по малярии. Например, у некоторых людей, инфицированных малярией, развивается желтуха, что указывает на то, что они обезвреживают гем альтернативным способом, который приводит к образованию билирубина.

В своем исследовании авторы обнаружили генетическую особенность, ответственную за это — сниженная экспрессия фермента, конъюгирующего билирубин. Эксперименты на мышах показали, что неконъюгированный билирубин проникает в клетки паразита, разрушая его пищевую вакуоль и митохондрии, подавляя синтез пиримидина и кристаллизацию гемозоина, а также подавляя репликацию. Таким образом, похоже, что желтуха имеет эволюционное преимущество для людей, живущих в регионах, где распространена малярия. Тем не менее, авторы предполагают, что эта защитная стратегия имеет серьезный эволюционный недостаток, а именно — коварную неонатальную желтуху, которая потенциально может повредить нейроны в головном мозге. Поэтому главный вопрос в том, в какой степени эта защитная стратегия может быть использована в терапевтических целях для преодоления существующей проблемы с малярией. — A metabolite-based resistance mechanism against malaria, «Биомолекула»: «Малярия. 15 фактов о болотной лихорадке», «Обмен билирубина и типы желтух».

Экология

В самом пекле

Это был эксперимент, опередивший свое время. Работая в своей лаборатории в Бреслау (Пруссия), ботаник Юлиус фон Сакс поместил цветочный горшок под большой стеклянный колпак и нагревал его снизу с помощью спиртовых горелок. Этот физиолог-новатор XIX века повторял эксперимент с различными видами растений и измерял поднимающуюся температуру, наблюдал за признаками того, что растение испытывает дискомфорт. Это была первая попытка определить самую высокую температуру, которую могут выдержать растения. Его результат — 50 ^oC — должен был показаться невообразимо высоким.

Сакс, ныне наиболее известный своей работой по фотосинтезу и питанию растений, просто проявлял любопытство. Но сегодня, когда глобальная температура повышается, а экосистемы страдают от аномальной жары, вопрос о том, как растения реагируют на экстремальную жару, приобрел практическое значение. Йохан Уддлинг, экофизиолог растений из Гётеборгского университета, говорит, что сейчас проводится глобальный эксперимент с «потенциально разрушительными» последствиями.

Ученые уже видят признаки того, что растения реагируют на глобальное потепление примерно на 1,5 ^oC. Некоторые виды деревьев в Мексике, например, переместились на более высокие уровни относительно моря, где температура ниже. Однако не все виды перемещаются достаточно быстро, чтобы успевать за потеплением, а эволюция тоже вряд ли может быть ответом на этот вопрос. Деревьям могут потребоваться десятилетия, чтобы начать размножаться, поэтому маловероятно, что они смогут достаточно быстро выработать новые генетические адаптации к жаре для противостояния повышению температуры.

Вероятно, самый серьезный стресс будет связан с тропиками, где температура уже сейчас высокая, а к концу века, по прогнозам, поднимется еще на 4 ^oC, если не будут приняты дополнительные меры по сдерживанию изменения климата. «Это самые жаркие леса, — говорит эколог Кеннет Фили из Университета Майами. — Итак, вопрос лишь в том, что произойдет, когда мы столкнемся с беспрецедентной жарой?»

Чтобы выяснить, на что способны растения, исследователи пошли гораздо дальше простого эксперимента Сакса. Они манипулируют температурой в лесных массивах, чтобы вывести тропические виды за пределы их комфортной зоны. Они изучают особенности растений в лесу с естественно повышенным температурным режимом. Они пересаживают деревья в более теплые места, чтобы посмотреть, как эти виды будут себя чувствовать. Эта работа уже выявила признаки устойчивости. «Мы знаем, что растения могут переносить небольшое потепление, — говорит Слот, который оценивал, как температура влияет на фотосинтез у десятков видов растений. — У них есть механизмы для адаптации, которые позволяют им приспосабливаться к постепенным изменениям». Но вопрос о том, смогут ли тропические леса выдержать резкий скачок потепления, вероятный в ближайшие десятилетия, остается в центре внимания исследователей. — Tropical forests are heating up. Can they cope?.