Эпигенетика

Relax: хроматиновая пружина облегчает транскрипцию

Ученые по-новому взглянули на роль нуклеосом в транскрипции. Хроматин представляет собой форму упаковки ДНК, структурная единица которой — нуклеосома. Она представляет собой гетерооктамер гистоновых белков с ДНК, дважды обернутой вокруг него. Нить ДНК с последовательными нуклеосомами формирует фибриллу толщиной в 10 нм. Из таких фибрилл складываются высшие уровни организации хроматина: ТАДы (топологически ассоциированные домены) и петли. Благодаря такой сложной организации эукариоты смогли позволить себе роскошь эпигенома. Но представьте себе, каково реплицировать и транскрибировать такую ДНК...

Осуществлять транскрипцию ДНК в составе хроматина так же удобно, как причесываться в бигудях. В научном сообществе долгое время доминировало убеждение, что нуклеосомы — препятствие на пути РНК-полимеразы: для того, чтобы комплекс «проехал», приходится разбирать каждую нуклеосому на пути. Но вы, наверное, уже привыкли, что в биологии не все так однозначно.

РНК-полимераза II, двигаясь по правозакрученной спирали ДНК, создает впереди себя положительное суперскручивание. Если бы это напряжение никак не релаксировалось, полимераза бы попросту остановилась. Этому не дает случиться топоизомераза 1, делающая одноцепочечные разрывы в ДНК, после чего супервитки раскручиваются. Как оказалось, есть еще один механизм релаксации, связанный с хроматином.

Qian et al. в своем последнем исследовании показали, что хроматин работает как торсионный буфер, снижающий положительную суперспирализацию при транскрипции. Что логично, особенно если вспомнить: в нуклеосоме виток ДНК левозакручен. Более того, с помощью метода оптической ловушки ученые показали, что РНК-полимеразе легче преодолеть нуклеосому в составе хроматина, чем если бы она находилась посередине «голого» участка ДНК. Предложенное объяснение весьма изящно: положительное торсионное напряжение «обнуляется» левой хиральностью хроматина, облегчая проход через нуклеосому. — Chromatin buffers torsional stress during transcription, «Биомолекула»: «Процессы и эпигеном», «Ядро и эпигеном».

CpG помнит все: механизмы развития воспалительной памяти

Воспалительная память клеток проявляется в выраженном возобновлении воспаления после длительной ремиссии, часто спустя годы после первичного воспалительного ответа. Это помогает тканям, однажды подвергшимся повреждению, восстанавливаться быстрее при повторном травмировании. Это, безусловно, полезный, эволюционно выгодный механизм. И, как и у любого такого механизма, у воспалительной памяти есть побочные эффекты. Именно они лежат в основе хронического воспаления при псориазе, астме и заболеваниях кишечника, таких как язвенный колит и болезнь Крона. В основе запоминания лежат не до конца изученные эпигенетические механизмы. Скорее всего, при активации генов, ассоциированных с воспалением, определенные траскрипционные факторы связываются с активным участком хроматина и модифицируют его, оставляя открытым для транскрипции на долгие годы. В исследовании на эпидермальных стволовых клетках мыши было показано, что ключевую роль в воспалительной памяти играют CpG-островки.

Cowley et al. на протяжении двух лет наблюдали за архитектурой хроматина стволовых клеток после псориазподобного воспалительного воздействия и обнаружили, что около 10% эпигенетических «воспоминаний» сохраняются. Исследователи обнаружили, что CpG-островки (участки ДНК, обогащенные последовательными нуклеотидами C и G), обычно сильно метилированные, деметилируются при воспалении. При этом происходит перестройка хроматина, открывающая его для транскрипции. Этим пользуются факторы, распознающие деметилирование. Они поддерживают хроматин в открытом состоянии, не давая уходить из нуклеосом гистону H2A.Z (в «стирающихся» воспоминаниях H2A.Z после воспаления уходит из нуклеосом и дает хроматину компактизоваться). Долгое сохранение эпигенетической памяти и передача ее дочерним клеткам становятся возможными благодаря высокой плотности CpG-островков в генах, ассоциированных с воспалением. — Distinctive DNA sequence features define epigenetic longevity of inflammatory memory, «Биомолекула»: «Наследование и эпигеном».

Транскриптомика

Капсула времени для мРНК: как TimeVault помогает следить за динамикой транскриптома

Современные методы РНК-секвенирования подобны фотосъемке: они способны дать нам только дискретную картину (например, транскриптом до и после воздействия на клетку), тогда как нам хочется увидеть непрерывную связь между воздействием и ответом изучаемой системы. Эта связь — мРНК, транскрибируемые непосредственно в ответ на воздействие. Такие мРНК дают толчок к формированию конечного фенотипа, но сами остаются вне цепи причинно-следственных связей, так как быстро деградируют.

Chao et al. разработали молекулярную капсулу времени — TimeVault, систему, которая захватывает эти «промежуточные» мРНК, сохраняя их для последующего секвенирования. Этот метод позволяет увидеть протокол, по которому клетка шла к наблюдаемому фенотипу.

Технология TimeVault работает следующим образом: polyA-связывающий белок узнает полиаденилированный 3’-конец пре-мРНК и запускает сборку олигомерной белковой капсулы, запечатывая транскрипт внутри и не давая ему деградировать. Капсулы TimeVault позволяют сохранять мРНК до 7 дней, увеличивая время ее полужизни более чем в 10 раз. Таким образом, данная технология решает проблему дискретности транскриптомных данных, позволяя секвенировать мРНК, запустившие изменения в клетке, после полного развития этих изменений. Методика обладает хорошим временным разрешением: исследователи отмечают, что при имитации теплового и гипоксического шока в TimeVault остаются транскрипты активированных этим воздействием генов.

Система хорошо показала себя в исследовании транскриптома клеток рака легкого. После трансфекции культуру клеток обрабатывали озимертинибом и проводили РНК-секвенирование клонов, переживших химиотерапию. При этом ученым удалось детектировать мРНК переходного состояния, которые позволили клеткам выжить. Обычными методами их выявить было бы невозможно, так как их транскрипция в наивных клетках еще не повышена, а в переживших химиотерапию клетках уже сошла на нет. — A genetically encoded device for transcriptome storage in mammalian cells, «Биомолекула»: «Выделяем нуклеиновые кислоты: эволюция методов».

Физиология беременности

Одна беременная свинья, 2 миллиона секвенированных клеток, статья в Science

Транскриптомный атлас на более чем 2 млн клеток одной беременной свиньи и ее плода помог ученым понять, как происходит адаптация организма к беременности и что приводит к задержке роста плода.

Cai et al. охватили 115 тканей матери и 119 тканей ее потомства для того, чтобы составить полную картину динамики клеточных типов, факторов транскрипции и сигнальных путей одной беременности. Ученые использовали single-cell и single-nuclei секвенировние, исследование клеточных линий и органоидов. Такое доскональное изучение одного беременного животного позволило исследователям исключить влияние генетической изменчивости, эпигенетики, возраста и факторов среды на исследуемые процессы.

В первой части исследования Cai et al. описали преобразования в сердце матери во время вынашивания плода. Повышенная нагрузка на сердечно-сосудистую систему вызвала обогащение капилляров сердца эндотелиальной линией Cap2. Эти эндотелиоциты экспрессируют больше транспортеров жирных кислот и меньше транспортеров глюкозы. Жирные кислоты — более энергоемкий субстрат, который отвечает повышенным требованиям усиленно работающего миокарда. Это объясняет их повышенный транспорт в миокард матери.

Во второй части работы исследователи сконцентрировались на механизмах задержки роста плода. Это нарушение развивается при неэффективном развитии трофобласта (предшественника плаценты) либо при нарушении кровотока между маткой и плацентой. Cai et al. показали, что в плодах с задержкой падает экспрессия генов-транспортеров аминокислот, SLC1A5 и SLC38A2. Параллельно наблюдается снижение уровня незаменимых аминокислот, в особенности лейцина, в крови плода. Ученые предполагают, что именно недостаток лейцина вызывает недоразвитие мускулатуры и снижение массы плода. Задержка развития плода наблюдалась у свиней и крыс на безлейциновой диете, причем эффект задержки можно было частично обратить, восстановив поступление этой аминокислоты. — Family single-cell atlases reveal pig pregnancy and fetal growth restriction critical cell types.

Биотехнология

Глазные капли на основе свиной спермы: ноу-хау китайских ученых для лечения ретинобластомы

Китайские ученые предложили эффективное средство доставки терапевтических агентов в труднодоступную зону глазного яблока. Лечение ретинобластомы часто вызывает серьезные осложнения на глаза. Это связано с тем, что опухоль располагается в задней части глазного яблока, из-за чего приходится делать инъекции в стекловидное тело для доставки препаратов. Zhao et al. предолжили использовать внеклеточные везикулы для решения этой проблемы.

Исследователи разработали глазные капли FA-SEVs@CMG с оболочкой из внеклеточной везикулы из семенной жидкости свиньи. Мембрана везикулы обогащена фолиевой кислотой, за счет чего они избирательно попадают в клетки опухоли. Кроме того, везикулы семенной жидкости за счет эпидермальных факторов роста могут временно разъединять плотные контакты эпидермиса и проникать сквозь них. Действующим агентом, убивающим клетки ретинобластомы, выступает комплекс нанозимов, который вызывает острый окислительный стресс при выходе в цитоплазму. Что интересно, эти нанозимы имеют небелковую природу — они представляют собой углеродные наночастицы, катализирующие продукцию радикалов кислорода из перекиси водорода. — Harnessing semen-derived exosomes for noninvasivefundus drug delivery: A paradigm for exosome-based ocular fundus therapeutics, «Биомолекула»: «Экзосомы — маленькие машины времени внутри нас», «Экзосома — механизм координации и взаимопомощи клеток организма».

Палеозоология

Собаки на 5 тысяч лет древнее чем мы думали

Новый рубеж древности преодолел друг человека. В Nature была опубликована статья, определившая останки псовых возрастом 15 800 лет как останки собак. В исследовании использовался ядерный и митохондриальный геном из предполагаемых останков собак, обнаруженных в мезолитических погребениях в Турции, Великобритании, Швейцарии и Сербии. Ученым удалось установить, что уже 14 300 лет назад, в эпоху позднего верхнего палеолита, на территории Европы присутствовала гомогенная популяция Canis lupus familiaris. Это говорит о том, что между разными генетическими и культурными человеческими популяциями происходила передача этих домашних животных. Кроме того, исследователи сообщают о скрещивании восточноевропейских популяций собак с западноевропейскими в мезолите. Это совпадает с передвижением восточных популяций охотников и собирателей в Европу. — Dogs were widely distributed across western Eurasia during the Palaeolithic.