Клеточная биология

Внутриклеточные капли, удивившие биологов

На протяжении многих лет ученые в ответ на вопрос, как именно устроена внутренняя работа клетки, рассказывали о высокоорганизованной фабрике с различными отделами, каждый из которых выполняет свои задачи на четко очерченных сборочных линиях. Если же вы спросите их о клеточном устройстве сейчас, то скорее всего, они будут сравнивать клетку с хаотичным офисом открытой планировки с отдельными зонами, где различные типы клеточной материи собираются для выполнения конкретной задачи, а затем рассеиваются вновь.

В какую бы область клетки ни посмотрели ученые, они наблюдают, как множество различных белков и РНК как будто слипаются вместе, сливаясь в капли, отличные от окружающей среды. Эти динамические компартменты позволяют клеткам выполнять важные функции, начиная от контроля экспрессии генов и репарации ДНК и заканчивая удалением отходов и реакцией на стресс. Такие скопления часто недолговременны и не защищены окружающей мембраной, в отличие от других клеточных компонентов. Когда капля больше не нужна, она исчезает.

Такие переходные капли создаются в процессе, называемом фазовым разделением, в котором группы молекул обособляются из-за различий в их плотности или способах взаимодействия. Направление стало популярным среди биологов около десяти лет назад, и с 2017 года количество соответствующих публикаций ежегодно увеличивается примерно на 50%. Фармацевтическая промышленность уже изучает, как использовать такие глобулы в качестве новых методов лечения, разрабатывая стратегии, предназначенные для разрушения проблемных агрегатов или более тонкой настройки фазового поведения.

Однако сейчас ученые хотят знать, что делают эти глобулы, как они формируются и как доказать, что эти безмембранные органеллы — или «биомолекулярные конденсаты», как их стали называть — действительно столь же широко распространены и важны для клетки, как и утверждается в некоторых исследованиях. — The shape-shifting blobs that shook up cell biology, «Биомолекула»: «„Нарисуем“ живую клетку».

Вязкость и скорость: как они связаны и почему это важно

Известно, что клетки в нашем организме окружены внеклеточной жидкостью различной вязкости (0,77 сантипуаз (сП)—8,0 сП). Однако большинство анализов клеточной биологии выполняется в средах с вязкостью, близкой к воде (0,77 сП), поэтому о влиянии более вязких внеклеточных жидкостей на клетки известно относительно плохо. Для 2D культур было показано, что острое воздействие вязкости выше, чем у животных (выше 40 сП), способствует миграции клеток. Однако неизвестно, как клетки чувствуют и реагируют на вязкости, которые выше 0,77 сП, но находятся во все еще физиологическом диапазоне. Долгосрочные эффекты воздействия такой повышенной вязкости на функцию клеток особенно неуловимы.

Авторы решили исследовать, как физиологически значимые уровни вязкости внеклеточной жидкости влияют на ответы раковых клеток, ведь миграция является решающим шагом в метастатическом распространении раковых клеток по всему организму. Для оценки in vitro они использовали различные комплементарные модельные системы для имитации некоторых аспектов микроокружения ткани. Используя визуализацию живых клеток, они отслеживали распространение клеток из трехмерных опухолеподобных структур, а также подвижность клеток в 2D и в микрофлюидных каналах. Также использовались различные молекулярные, электрофизиологические и микроскопические анализы для определения клеточных сигнальных путей, задействованных в ответ на повышенную вязкость. Ключевые результаты этих анализов были подтверждены математическими моделями. Для оценки in vivo авторы использовали три модели животных (рыбки данио, мыши и эмбрион цыплят), чтобы понять актуальность полученных результатов для заболевания.

В результате было обнаружено, что повышенная вязкость увеличивает подвижность и скорость различных типов клеток на двумерных поверхностях и в условиях ограничения, а также способствует распространению клеток из трехмерных опухолевых структур. Кроме того, по сравнению с раковыми клетками, культивируемыми в среде с низкой вязкостью, клетки, культивируемые в среде с высокой вязкостью, легче мигрировали у рыбок данио, с большей вероятностью покидали кровоток в эмбрионах цыплят и производили больше колоний в легких у мышей. Таким образом, внеклеточная вязкость является физическим признаком, который регулирует как краткосрочные, так и долгосрочные клеточные процессы с патофизиологическим значением для биологии рака. — Extracellular fluid viscosity enhances cell migration and cancer dissemination.

Эволюция

Неприятное соседство: как соседствующие виды влияют на выживание друг друга

Около 10–50% всех видов на Земле, включая цветущие растения, подвержены высокому риску исчезновения в результате климатических изменений. Поэтому прогнозирование того, как природные экосистемы будут реагировать на изменение климата, а также какие именно виды подвергаются наибольшему риску исчезновения, является важнейшим аспектом природоохранной деятельности. Однако такие прогнозы почти всегда осуществляются путем рассмотрения того, как отдельные виды реагируют на изменения, без учета потенциального межвидового взаимодействия. Так как же учесть все нюансы?

Ван Дайк и его коллеги достигли значительного прогресса в прогнозировании стойкости видов в условиях климатических изменений, объединив полевой эксперимент с математическим моделированием для определения того, как изменения влияют на конкурентные взаимодействия между видами.

Исследователи получили семена шести видов растений с жизненным циклом в один год из биологически разнообразной экосистемы, в которой вода ограничена, а засуха уже вызывает видовые потери. Авторы создали экспериментальные сообщества, состоящие из различного количества особей одного вида или попарно сочетающихся разных видов. Каждое из этих сообществ было подвергнуто либо текущему среднему количеству осадков в экосистеме, либо сниженному на 20%. Влияние на выживаемость отдельных растений измеряли в каждом из этих контекстов; данные использовали в математической модели для генерации прогнозов того, сохранится ли один или оба вида.

Авторы обнаружили, что уменьшение количества осадков мало повлияло на виды, выращиваемые отдельно, но оно качественно сдвинуло прогнозируемые конкурентные результаты для 10 из 15 пар соседствующих видов. Кроме того, пары видов, которые были функционально более схожи, с меньшей вероятностью испытывали изменения, что указывает на то, что функционально отличающиеся сообщества могут быть наиболее подвержены угрозе из-за изменения в взаимодействиях. —  Small rainfall changes drive substantial changes in plant coexistence.

Мастера упаковки: почему растениям не нужно выбирать между компактностью и функциональностью своей ДНК

Известно, что в эукариотических клетках ДНК упаковывается в структуры, называемые нуклеосомами: молекула как бы наматывается на белки-гистоны H2A, H2B, H3 и H4 внутри ядра. Нуклеосомы, в свою очередь, образуют более сложную структуру — хроматин, тем самым компактно упаковывая ДНК в ядро клетки. Животные и несколько древних линий растений уплотняют ДНК в мужских половых клетках путем замены гистонов белками, называемыми протаминами. Это определяет компактность головки гаметы, что способствует увеличению скорости. Однако компромиссом в результате такой компактизации является почти полная потеря гистон-опосредованного контроля экспрессии генов и подавление транскрипции. Цветущие растения не имеют протаминов и продуцируют мужские половые клетки, которые демонстрируют активную экспрессию генов, однако не могут плавать. Так как же ДНК гамет компактизуется в пыльце цветковых растений без использования протаминов?

Чтобы понять этот процесс, авторы использовали сверхразрешающую микроскопию для исследования ядер спермиев модельного растения Arabidopsis thaliana. Они обнаружили необычные агрегаты эухроматина — области, которые относительно деконденсированы и транскрипционно активны. Они определили специфичный для спермиев вариант гистона, H2B.8, который присутствует почти у всех цветковых растений. Авторы предполагают, что H2B.8 упаковывает хроматин путем разделения фаз; кроме того, он связывается только с транскрипционно неактивными областями эухроматина, изменяя архитектуру хроматина без ущерба для активности генов. Авторы предполагают, что H2B.8 является эволюционным новшеством цветковых растений, которое обеспечивает необходимый уровень ядерной компактизации совместно с активной транскрипцией. — Histone H2B.8 compacts flowering plant sperm through chromatin phase separation, «Биомолекула»: «Любовь растений».

Нейробиология

Нюансы обучения в гиппокампе мышей на беговой дорожке

Считается, что связанные с обучением изменения в активности мозга лежат в основе адаптивного поведения. Например, изучение места вознаграждения грызунами требует сверхпредставления этого места в гиппокампе. Как именно происходит это изменение, связанное с обучением, остается неизвестным.

Чтобы непосредственно изучить физиологические процессы, с помощью которых приобретаемый опыт изменяет активность популяции гиппокампа, авторы использовали двухфотонную Ca²⁺ визуализацию для регистрации активности CA1 дорсальных пирамидальных нейронов у мышей, которым нужно было решить задачу пространственного обучения. Первый вариант задачи — когда мышей приучали бегать на дорожке, где в случайных местах находилось «вознаграждение» — 10%-ный раствор сахарозы. Второй вариант задачи — мыши бегали по дорожке, где капли сахарного «вознаграждения» были зафиксированы. В первом случае скорость бега мышей по дорожке, как и скорость слизывания сладких капель с дорожки, были одинаковыми на всем протяжении упражнения; при этом активность CA1 нейронов была примерно одинаковой. Во втором случае мыши замедляли бег по мере приближения к «вознаграждению», а слизывание ограничивалось только зафиксированным сладким участком. Параллельно с этим наблюдалась повышенная плотность CA1 нейронов — она увеличилась более чем в два раза.

Физиологические и фармакологические данные свидетельствуют о том, что адаптивное чрезмерное представление требует поведенческой синаптической пластичности во времени (behavioural timescale synaptic plasticity, BTST). Известно, что BTSP управляется дендритными сигналами напряжения, которые, как предположили авторы, были инициированы импульсом от энторинальной области коры головного мозга 3 (entorhinal cortex layer 3, EC3). Соответственно, чрезмерная представленность CA1 была в значительной степени устранена оптогенетическим ингибированием активности EC3. Записи нейронов EC3 выявили паттерн активности, который мог дать поучительный сигнал, направляющий BTSP для создания сверхпредставления в гиппокампе. Эти данные показывают, что связанные с обучением изменения в гиппокампе вызываются синаптической пластичностью, направляемой импульсом от EC3, который, по-видимому, специально адаптирован к поведенчески значимым особенностям окружающей среды. — Entorhinal cortex directs learning-related changes in CA1 representation, «Биомолекула»: «Цели и вознаграждения искажают карту пространства в мозге».

Трехмерные карты мозга

Мозг — это гораздо больше, чем составляющие его клетки. Каждый нейрон в мозгу связан с тысячами других нейронов, но вместо какофонии связей ученые наблюдают синхронизированную симфонию. Координация множества функций, поведения и мыслей тела требует, чтобы большое количество нейронов действовало сообща, а не как изолированные сущности. Результаты зависят от связей между нейронами, будь то связь с соседней нервной клеткой или отправка и получение сигналов в отдаленные области мозга и из них. Инновационные нейробиологические методы позволяют исследователям специально стимулировать отдельные группы нейронов у животных и неинвазивно измерять, как они активируют другие части мозга, расположенные близко или далеко. Достижения в области визуализации мозга позволяют выявить анатомические проекции и модели функциональной связи, что позволяет видеть их активацию в режиме реального времени. Например, первые цифровые атласы мозга мыши и крысы дают поразительное представление о взаимосвязи клеток.

Такие трехмерные эталонные атласы мозга открывают новые возможности для накопления, интеграции и повторной интерпретации результатов исследований. Авторы рассматривают подходы к интеграции данных, описывающих нейронные связи и другие модальности, и обсуждают, как рабочие процессы на основе атласа мозга могут облегчить анализ организации нейронной сети в масштабах всего мозга по отношению к другим аспектам нейроархитектуры. — Atlas-based data integration for mapping the connections and architecture of the brain, «Биомолекула»: «Хаос в мозге».

Физиология

Вредная диета: все ли пищевые волокна одинаково полезны

Сейчас уже ни для кого не секрет, что полезные микробы, составляющие кишечную микробиоту, влияют на многочисленные физиологические процессы, включая развитие, метаболизм, иммунные ответы — и даже когнитивные функции. Метаболиты, продуцируемые микробиотой, такие как производные ароматических аминокислот, аминокислоты с разветвленной цепью, короткоцепочечные жирные кислоты (short-chain fatty acids, SCFA) и производные желчных кислот попадают в кровь и регулируют множественные аспекты системной физиологии своего обладателя. Среди этих метаболитов лучше всего изучены SCFA, получаемые из микробной деградации сбраживаемых пищевых волокон. Было показано, что они влияют на множественные типы клеток, включая эпителиальные клетки, дендритные клетки и регуляторные Т-клетки (T_reg), стимулируя иммунорегуляторные эффекты во множестве тканей.

Пищевые волокна могут оказывать благотворное противовоспалительное действие через микробно-ферментированные метаболиты короткоцепочечных жирных кислот. Однако, вопреки существующим модным тенденциям, надо понимать, что не все диеты, обогащенные волокнами, одинаково полезны. Кроме того, влияние таких диет на микробные метаболиты и иммунную систему млекопитающих остается не полностью определенным и часто очень индивидуально.

В своем исследовании авторы использовали микробное секвенирование и нецелевую метаболомику, чтобы экспериментально определить влияние диеты из инулиновых волокон на состав микробиоты. В результате они показали, что такая диета изменяет состав микробиоты мышей и уровни метаболитов, полученных из микробиоты, особенно желчных кислот. Этот метаболический сдвиг связан с воспалением 2-го типа в кишечнике и легких, характеризующимся продукцией IL-33, активацией врожденных лимфоидных клеток 2-й группы и эозинофилией. Эффекты, вызываемые инулином, зависели от качества микробиоты и воспроизводились на мышах, колонизированных микробиотой человеческого происхождения. Интересно, что если удалить у одного вида бактерий ген, ответственный за фермент, метаболизирующий желчную кислоту, это устраняет способность инулина вызывать воспаление 2 типа. Кроме того, авторы показали, что инулин усиливает воспаление, вызываемое аллергенами и гельминтами. — Inulin fibre promotes microbiota-derived bile acids and type 2 inflammation, «Биомолекула»: «Зоопарк в моем животе».

Лекарство от старения

В чем причина старения? Некоторые исследования говорят о том, что причина кроется в накоплении стареющих клеток в различных тканях — а это приводит к чрезмерному воспалению и, следовательно, дисбалансу в гомеостазе тканей. Простым объяснением причин такого накопления является возрастное увеличение индуцирующих старение стимулов, таких как укорочение теломер и повреждение ДНК. Нарушения иммунной системы также могут быть вовлечены в этот процесс. Однако мало что известно о том, как именно иммунная система контролирует клеточное старение. Кроме того, характеристики стареющих клеток in vivo варьируются в зависимости от их происхождения и стимулов. Иммунный надзор против «некачественных» клеток, таких как раковые клетки, регулируется иммунными чекпоинтами. Исходя из этого, авторы предположили, что это также может касаться и стареющих клеток.

Для решения этого вопроса авторы проанализировали экспрессию нескольких генов иммунных белков в клеточной линии фибробластов человека HCA2, хорошо зарекомендовавшей себя в качестве in vitro модели стареющих фибробластов. Они показали, что стареющие клетки гетерогенно экспрессируют ген белка 1 запрограммированной клеточной смерти (PD-L1), и что стареющие клетки PD-L1⁺ накапливаются с возрастом in vivo. Клетки PD-L1^- чувствительны к Т-клеточному контролю, тогда как клетки PD-L1⁺ устойчивы даже в присутствии секреторных фенотипов, ассоциированных со старением (senescence-associated secretory phenotypes, SASP). Анализ единичных клеток p16⁺ in vivo показал, что экспрессия PD-L1 коррелирует с более высокими уровнями SASP. А значит, введение антитела к белку 1 запрограммированной клеточной смерти (PD-1) мышам, стареющим естественным образом, снижает общее количество клеток p16⁺ in vivo, а также популяцию PD-L1⁺, улучшая различные фенотипы, связанные со старением.

Эти результаты свидетельствуют о том, что именно гетерогенная экспрессия PD-L1 играет важную роль в накоплении стареющих клеток и воспалении, связанном со старением, а элиминация стареющих клеток PD-L1⁺ путем блокады иммунных чекпоинтов может быть многообещающей стратегией антивозрастной терапии. — Blocking PD-L1–PD-1 improves senescence surveillance and ageing phenotypes, «Биомолекула»: «Зачем клетки стареют», «Как старение влияет на синтез белка», «Старение: остановить нельзя смириться».

Удивительные астроциты и их связь с болезнями ЦНС

Центральная нервная система (ЦНС) состоит из большой популяции ненейрональных клеток, называемых глией. Преобладающим типом глии являются астроциты, открытые еще 140 лет назад. Астроциты покрывают всю ЦНС, выполняют критические гомеостатические функции и демонстрируют сложную, «густую» кустистую морфологию — их определяющую черту. В отличие от нейронов ЦНС, которые очень разнообразны, астроциты исторически считались в значительной степени гомогенными, служащими типом вездесущего клея между разными областями ЦНС.

Астроциты являются основным типом глии, демонстрируя сложную кустистую морфологию как их определяющую черту. Авторы изучали сходство, разнообразие и морфологию астроцитов в ЦНС мышей и идентифицировали генные сети, связанные с морфологией астроцитов между областями ЦНС, некоторые из которых неожиданно включали гены, связанные с риском болезни Альцгеймера (БА). Когда экспрессия этих генов была снижена у мышей, морфологическая сложность астроцитов уменьшалась, и у мышей проявлялись нарушения в когнитивных тестах. Примечательно, что одни и те же гены подавляются как в мышиной модели БА, так и в человеческом варианте БА и некоторых других расстройствах ЦНС.

Авторы смогли показать, что снижение морфологической сложности астроцитов и сопутствующая потеря тканевой поддержки являются общими для различных расстройств ЦНС. Это повышает вероятность того, что восстановление морфологии астроцитов и, следовательно, последующих функций поддержки нейронов и тканей может быть терапевтически полезным при заболеваниях ЦНС. Такие результаты обеспечивают молекулярную основу для разгадки того, как астроциты способствуют функционированию и дисфункции ЦНС. — Molecular basis of astrocyte diversity and morphology across the CNS in health and disease, «Биомолекула»: «От астроцита до нейрона: история одного превращения в живом мозге», «Болезнь Паркинсона и астроциты: новый взгляд на лечение нейродегенеративных заболеваний».

Генная терапия в борьбе с эпилепсией

Некоторые нарушения в развитии нервной системы характеризуются перемежающимися эпизодами патологической активности. Одним из примеров является эпилепсия — предрасположенность к спонтанным эпизодам синхронного повышения активности нейронов, судорогам. Эту предрасположенность можно уменьшить с помощью противосудорожных препаратов. Однако и здесь не все так просто. Некоторые пациенты не реагируют на терапию, а у других со временем развиваются неприятные побочные эффекты или толерантность к лекарствам. И, хотя генетическая терапия предлагает возможность модулировать возбудимость нейронов, ограничивающим фактором является то, что она не делает различий между нейронами, вовлеченными в патологию цепи, и «здоровыми» окружающими или смешанными нейронами.

Однако похоже, что авторы данной работы нашли решение. Они описывают стратегию генной терапии, которая снижает возбудимость сверхактивных нейронов в замкнутом цикле, и протестировали эту стратегию на моделях эпилепсии. Исследователи использовали промотор для управления экспрессией калиевых каналов Kv1.1 именно в гиперактивных нейронах — и только до тех пор, пока они проявляют аномальную активность. Возбудимость нейронов снижалась за счет судорожной активности, что приводило к стойкому противоэпилептическому эффекту без нарушения нормального поведения. Такая замкнутая система обратной связи обеспечивает временное лечение по требованию в ответ на надпороговый стимул и является потенциально мощным решением проблем лекарственной устойчивости, побочных эффектов и толерантности. — On-demand cell-autonomous gene therapy for brain circuit disorders, «Биомолекула»: «Калиевые каналы как перспективное средство для генной терапии эпилепсии».

Молекулярная биология

Новые грани CRISPR/Cas системы

За последние годы технология редактирования геномов высших организмов CRISPR/Cas9, базирующаяся на иммунной системе бактерий, стала невероятно популярной. У прокариот CRISPR/Cas обеспечивает адаптивный иммунный ответ против чужеродных генетических элементов посредством активности нуклеазы, управляемой РНК. Недавно в генетической ассоциации с системами CRISPR были обнаружены дополнительные гены с ненуклеазными функциями, что позволяет предположить наличие других ненуклеолитических ферментов, управляемых РНК. Один такой ген кодирует протеазу TPR-CHAT Csx29, связанную с эффектором CRISPR/Cas7-11.

В своей работе авторы демонстрируют, что эта CRISPR-ассоциированная протеаза (CASP) проявляет программируемую РНК-активируемую эндопептидазную активность против ингибитора сигма-фактора для регуляции транскрипционного ответа. Криоэлектронная микроскопия активного и связанного с субстратом комплекса CASP выявила аллостерический механизм активации, который реорганизует каталитические остатки Csx29 при связывании с РНК-мишенью. Такие результаты раскрывают РНК-управляемую функцию в природе, которую можно использовать для приложений распознавания РНК in vitro и в клетках человека. — RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase, «Биомолекула»: «CRISPR-эпопея и ее герои».

Онкология

Спермидин — новая перспектива для борьбы раком

У млекопитающих сила иммунной системы снижается с возрастом. Это происходит из-за множества факторов, среди которых: снижение продукции и разнообразия антигенного репертуара Т-клеток, вызванного инволюцией тимуса; изменения клеточного метаболизма, вызванные воспалением; ухудшение способности к пролиферации, дифференцировке или выживанию иммунных клеток. Не секрет, что пожилые люди часто страдают от тяжелых инфекций и рака, и применяемые методы лечения, включая блокаду белка 1 запрограммированной гибели клеток (PD-1) в иммунотерапии рака, у пожилых значительно менее эффективны по сравнению с результатами у молодых пациентов.

Спермидин (SPD) — это полиамин, который первоначально был выделен из спермы, хотя сейчас известно, что он также содержится в зародышах пшеницы, сои, выдержанных сырах и грибах. Он играет важную роль в синтезе белков, а также в развитии клеток, и очень тесно связан с их ростом. В организме человека спермидин важен для различных клеточных процессов — например, он ускоряет выведение клеточных отходов, которые считаются главной причиной развития различных возрастных заболеваний, в частности, болезни Альцгеймера. В норме организм сам способен вырабатывать спермидин, однако в пожилом возрасте его выработка значительно снижается. Ранее было показано, что добавка SPD повышает противоопухолевый иммунитет на животных моделях. Тем не менее, остается в значительной степени неизвестным, как дефицит SPD связан с подавлением иммунитета Т-клеток из-за старения.

Авторы обнаружили, что внутриклеточная концентрация SPD в CD8⁺ Т-клетках старых мышей была примерно вдвое меньше, чем у молодых. Также старые CD8⁺ T-клетки демонстрировали нарушение митохондриальной активности с более низкой скоростью потребления кислорода, продукцией АТФ и активностью окисления жирных кислот. Добавка SPD усиливала противоопухолевую активность иммунотерапевтической блокады PD-1 у старых мышей, а также оказалась эффективной у молодых мышей с опухолями, не отвечающими на терапию одним антителом против лиганда белка 1 запрограммированной смерти (PD-L1). Комбинированное лечение SPD и антителом против PD-L1 усиливало пролиферацию, продукцию цитокинов и митохондриальную продукцию АТФ CD8⁺ T-клетками in vivo. А in vitro SPD эффективно улучшал функции митохондрий и метаболизировал пальмитат в компоненты цикла трикарбоновых кислот в течение одного часа, что предполагает возможность прямого связывания SPD с белками, связанными с митохондриями.

Такие результаты дают новое представление о свойствах SPD, которые могут способствовать разработке стратегий для предотвращения и улучшения исходов возрастных иммунных патологий и борьбы с невосприимчивостью к блокаде PD-1 при раке, независимо от возраста. — Spermidine activates mitochondrial trifunctional protein and improves antitumor immunity in mice.