Подписаться
Оглавление
Биомолекула

SciNat за ноябрь 2023 #3: сенсоры для нейропептидов, диета для микробиоты и загадка строения иглокожих

SciNat за ноябрь 2023 #3: сенсоры для нейропептидов, диета для микробиоты и загадка строения иглокожих

  • 288
  • 0,1
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Дайджест

На обложке Nature — морская летучая мышь (Patiria miniata), относящаяся к типу иглокожих. Этот тип примечателен тем, что, в отличие от большинства животных, которые имеют двустороннюю симметрию тела, может похвастаться пятикратной симметрией, с пятью конечностями, расходящимися из центрального рта. Как именно развивалась эта необычная конструкция тела, читайте в свежем выпуске. — Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms.

Очередные свежие выпуски Science и Nature радуют читателей самыми передовыми научными исследованиями. Из них вы узнаете, как работает прилипание у мидий, где прячут железо патогены, можно ли залатать дырявую мембрану и как хранится эпигенетическая память наших клеток.

Молекулярная биология

«Железные» резервы патогенов

Когда речь заходит о таком микроэлементе, как железо, невероятно важен баланс. С одной стороны, железо является незаменимым элементом почти для всех форм жизни, а с другой — способно образовывать токсичные окислительные радикалы. Поэтому как дефицит железа, так и его избыток могут быть одинаково вредны. Железо может оказывать прямое влияние на выживание и рост большинства микроорганизмов, и в ряде исследований было показано, что содержание железа в пище влияет на состав кишечной микробиоты как у животных, так и у людей. Поэтому неудивительно, что бактериальные патогены выработали стратегии поглощения, хранения и детоксикации железа для поддержания гомеостаза этого микроэлемента, чтобы успешно выживать внутри своих хозяев. Недавние исследования показали, что три грамотрицательных анаэроба окружающей среды производят для этих целей железосодержащие ферросомные гранулы. Однако не совсем ясно, характерны ли такие ферросомы только для грамотрицательных бактерий или их можно обнаружить и у грамположительных патогенов. Чтобы выяснить это, авторы рассмотрели Clostridioides difficile. Это грамположительная бактерия, которая является основной причиной нозокомиальных и антибиотико-ассоциированных инфекций в США. Исследователи обнаружили, что C. difficile также сохраняет железо в мембраносвязанных ферросомных органеллах. В процессе образования таких ферросом важную роль играют мембранный белок (FezA) и переносчик P1B6-АТФазы (FezB), репрессируемые как железом, так и глобальным регулятором механизма захвата железа Fur. Эти же белки играют важную роль в гомеостазе железа при переходе от состояния дефицита железа к его избытку. Используя две модели инфекции C. difficile на мышах, авторы продемонстрировали, что ферросомная система активируется в воспаленном кишечнике в качестве контрмеры защитному механизму секвестрации железа клетками хозяина и важна для бактериальной колонизации и выживания во время инфекции C. difficile. — Clostridioides difficile ferrosome organelles combat nutritional immunity, «Биомолекула»: «Немного о железе. Теория», «Немного о железе. Практика».

Стресс-гранулы: чем заткнуть дырку в мембране

Для клетки стресс является воздействием, которое может повлиять на ее рост и выживание. У эукариот характерным процессом, связанным с возникновением клеточного стресса, является образование цитоплазматических комплексов, состоящих из различных белков и молекул РНК, называемых стрессовыми гранулами. Эти гранулы появляются в ответ на самые разнообразные стрессовые воздействия. Их роль остается предметом для жарких научных споров, однако похоже, что они координируют клеточную реорганизацию, чтобы защитить рутинные механизмы работы генов «домашнего хозяйства», а также облегчить пути реагирования клетки на чрезвычайные ситуации. В своей статье авторы сообщают о дополнительной и ранее недооцененной роли таких стрессовых гранул в восстановлении органелл. Они рассмотрели такую форму клеточного стресса, как повреждение эндомембраны, которое приводит к нестабильности органелл и губительно для эукариотических клеток. Лизосомальное повреждение является общей чертой многих заболеваний и представляет собой серьезную проблему для клетки. Объединив исследования in vitro и in cellulo с компьютерным моделированием, авторы раскрыли неожиданную биологическую функцию стрессовых гранул. Они обнаружили, что эти биомолекулярные конденсаты быстро образуются в местах повреждения эндомембраны и действуют как «пробка», стабилизирующая место разрыва. Они также продемонстрировали, что блокирование образования стрессовых гранул в макрофагах человека создает благоприятную среду для микобактерий туберкулеза — патогена, который использует повреждение эндомембраны для выживания внутри организма человека. — Stress granules plug and stabilize damaged endolysosomal membranes.

Как повысить точность транспозазы

Направленное и успешное внедрение больших генетических объектов без разрывов двухцепочечных ДНК остается серьезной проблемой геномной инженерии. CRISPR-ассоциированные транспозазы (CAST) представляют собой многообещающую альтернативу подходам, основанным на нуклеазном и первичном редактировании, и включают перепрофилирование эффекторов CRISPR с дефицитом нуклеазы для облегчения транспозиции под управлением РНК. Системы CAST типа V-K имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с другими гомологичными системами благодаря их компактному размеру, простоте программирования и однонаправленной интеграции. Однако точность этих многокомпонентных ферментов в настоящее время ограничена, и основная причина этого недостатка неизвестна. Авторы демонстрируют, что транспозазы CAST типа V-K демонстрируют РНК-независимый путь интеграции, в первую очередь управляемый AAA + АТФазой TnsC. Нецелевые события транспозиции происходят преимущественно в сайтах, богатых A/T, с дополнительными контекстными эффектами, налагаемыми мотивами последовательности, распознаваемыми транспозазой TnsB. Используя знания, полученные в результате биохимических и генетических экспериментов, авторы настроили доступность TnsC в клетках и существенно улучшили общую специфичность интеграции. В целом, результаты работы демонстрируют, что CRISPR-ассоциированные транспозазы могут проявлять как РНК-зависимые, так и РНК-независимые пути, и что АТФаза TnsC играет важную роль в выборе сайта-мишени. Активны ли оба пути в нативном микробном контексте, остается неизвестным, хотя авторы полагают, что нецелевая транспозиция, вероятно, представляет собой реликт более раннего и примитивного образа жизни транспозонов до того, как были приобретены системы, нацеленные на CRISPR-Cas. — Mechanism of target site selection by type V-K CRISPR-associated transposases, «Биомолекула»: «Cut&Paste: от транспозонов к эпигеномике», «Как транспозоны CRISPR/​Cas приручили».

Эпигенетическая память в глубинах хроматина

В ходе своего развития наши клетки приобретают свою индивидуальную специализацию и становятся нервными, мышечными, кровеносными и т. д., сохраняя стабильность даже по мере своего роста и деления. Эта стабильность является формой эпигенетической памяти. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эта память частично сохраняется внутри самого хроматина, вероятно, в закономерностях химических модификаций ДНК и гистонов, известных как «эпигенетические метки». Но отдельные метки очень динамичны: они размещаются и удаляются с помощью множества механизмов и частично теряются при репликации ДНК. Авторы разработали простую теоретическую модель динамики хроматина и его меток на протяжении клеточного цикла. Модель основана на предыдущих экспериментальных результатах и демонстрирует, что трехмерное сворачивание генома помогает клеткам запоминать. Авторы отмечают, что локализация метки в плотном пространстве хроматина сродни эпидемии, которая становится эндемической в густонаселенных районах и исчезает в других местах. В целом, работа раскрывает механизм, с помощью которого связь между трехмерным сворачиванием генома и динамикой меток способна помочь клеткам запомнить свою индивидуальность. Интуитивно понятно, что этот механизм основан на кодировании памяти в разных формах на разных фазах клеточного цикла. В интерфазе память сохраняется в трехмерной структуре генома, тогда как при митозе, когда трехмерная структура полностью реорганизуется, память сохраняется в последовательности меток. Также авторы предполагают возможность того, что эпигенетические системы способны не только к памяти, но и к более сложной обработке информации. — Design principles of 3D epigenetic memory systems, «Биомолекула»: «Молекулы и эпигеном».

Вирусный триггер иммунного ответа бактерий

Как у людей, так и у бактерий вирусные инфекции приводят к активации определенных ферментов, которые генерируют циклические нуклеотиды для инициации процесса иммунного ответа. В случае бактерий антифаговые сигнальные системы защищают прокариоты от вирусной (фаговой) атаки посредством производства циклических олигонуклеотидов, которые активируют эффекторные белки, вызывающие смерть инфицированной клетки. Однако было неизвестно, как именно бактериальные клетки «чувствуют» вирусное вторжение. В своей работе авторы исследовали механизм ответа на инфекцию у стафилококков и идентифицировали молекулу вирусной РНК, которая образуется в процессе инфекции, а затем связывается с положительно заряженной поверхностью фермента циклазы бактериальной клетки, что и способствует синтезу циклического динуклеотида для активации иммунного ответа антифаговой сигнальной системой. Фаги, успешно ускользающие от защиты антифаговой системы, содержат мутации, которые приводят к образованию более длинной формы вирусной РНК, которая, в свою очередь, не может активировать бактериальный фермент циклазу. Авторы подчеркивают: поскольку циклаза млекопитающих также связывает вирусную двухцепочечную РНК во время интерферонового ответа, полученные результаты показывают консервативный механизм активации врожденных путей противовирусной защиты. — Bacterial cGAS senses a viral RNA to initiate immunity.

Через призму одной клетки к целому эмбриону: РНК-секвенирование мышей

На протяжении сотен лет лабораторная мышь (Mus musculus) служила классической животной моделью для изучения болезней человека. В частности, для изучения отклонений внутриутробного развития мыши являются идеальной модельной системой. С самого начала подход к генетике мышей основывался на спонтанных или индуцированных мутациях, приводящих к видимым физическим дефектам, которые затем можно было картировать. Однако со временем методы генного таргетинга проложили путь к так называемой «обратной генетике» — анализу фенотипических эффектов, появившихся в результате намеренно сконструированных мутаций. Традиционные исследования синдромов внутриутробного развития обычно фокусируются на чем-то одном. Например, исследование сочетает анализ экспрессии генов, гистологии и визуализации для исследования видимого порока развития. Тем не менее, фенотипы, обнаруженные с помощью таких тестов (например, поведенческих и физиологических), могут потребовать многих лет дополнительной работы для обнаружения исходных молекулярных и клеточных изменений. Более того, часто бывает так, что намеренно сконструированная мутация не приводит к соответствующим отклонениям. В таких случаях остается неизвестным, действительно ли фенотип отсутствует — или используемые методы просто недостаточно чувствительны. Потенциальный путь преодоления таких барьеров предлагает молекулярное профилирование, а именно — секвенирование РНК единичных клеток (scRNA-seq).

В своем исследовании авторы решили использовать метод scRNA-seq единичных клеток всего эмбриона в качестве платформы для систематического фенотипирования генетических моделей мышей. Они применили этот метод для профилирования 101 эмбриона с 22 мутантными генотипами и 4 генотипами дикого типа на 13,5 эмбриональный день, в общей сложности проанализировав более 1,6 миллиона ядер. Авторы разработали и применили несколько аналитических схем для обнаружения различий в составе и/или экспрессии генов в 52 типах клеток. В целом, результаты исследования показывают, как именно такое профилирование одиночных клеток целого эмбриона может обеспечить систематическую молекулярную и клеточную фенотипическую характеристику мышиных мутантов с недостижимыми до сих пор широтой и разрешением. — Single-cell, whole-embryo phenotyping of mammalian developmental disorders, «Биомолекула»: «Одноклеточное секвенирование: разделяй, изучай и властвуй».

Эволюция

Всему голова: кто же такие иглокожие

Большинство животных имеют двустороннюю симметрию тела — голову на одном конце, хвост на другом и единую ось симметрии, идущую сверху вниз. Однако иглокожие, такие как морские звезды и морские ежи, выбиваются из общей картины. Они имеют пятикратную симметрию, с пятью конечностями, расходящимися из центрального рта. Факт происхождения пятилучевого плана тела иглокожих от своего двустороннего предка является одной из самых устойчивых зоологических загадок. В своей публикации исследователи рассказывают, как именно развивалась такая необычная конструкция тела. Авторы использовали РНК-томографию для картирования паттернов генетической экспрессии у морской летучей мыши (Patiria miniata). Они обнаружили, что гены головоподобных структур экспрессируются вдоль средней линии каждой конечности, а гены, относящиеся к хвостообразным структурам, экспрессируются в маленьких трубчатых ступнях по краям каждой конечности. У морских звезд также отсутствуют гены, которые в норме определяют туловище у двусторонних существ. В результате исследователи предполагают, что иглокожие — это, по сути, животные, являющиеся одной сплошной головой. — Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms, «Биомолекула»: «Звёзды, актинии и лекарства», «Программируемый морфогенез многоклеточных систем».

Динамический контакт живого с неживым: как это у мидий

В природе и биомедицине существует множество стратегий для установления прочных связей между живыми тканями и неживыми поверхностями, но механизмы быстрого и необходимого разделения этих контактов изучены недостаточно. Мидии Mytilus могут быстро и хорошо прилипать к неорганическим поверхностям, а при угрозе они так же быстро могут отделяться. Стебель биссуса мидии, представляющий собой прочные белковые нити, секретируемые биссусовой железой, обеспечивает прочный и компактный контакт между живой тканью и неживым биополимером. Тем не менее, в ходе плохо изученного процесса мидии могут просто выбросить «за борт» весь свой организм, восстановив новый всего за несколько часов. Авторы использовали передовые методы визуализации и спектроскопии для изучения этого процесса отслоения и изучения структуры и состава области контакта биссуса. Они обнаружили, что поверхность биополимера находится в тесном адгезивном контакте с миллиардами подвижных эпителиальных ресничек, которые контролируют силу контакта и высвобождение стебля посредством их коллективного движения, которое регулируется нейрохимически. А именно, на процесс биения ресничек может влиять использование серотонина и дофамина, тем самым вовлекая нейротрансмиттеры в контроль механического взаимодействия между живыми и неживыми тканями. Авторы полагают, что все это является частью сложного сенсорного пути, с помощью которого мидии реагируют на стрессы окружающей среды, освобождаясь и перемещаясь. — A strong quick-release biointerface in mussels mediated by serotonergic cilia-based adhesion.

Нейробиология

Охота на нейропептиды

Нейропептиды — это важные и повсеместно распространенные сигнальные молекулы, которые постоянно участвуют в контроле физиологии и поведения. Они представляют собой небольшие цепочки аминокислот, которые играют жизненно важную роль в эндокринной и нервной системах, регулируя различные их функции, такие как обмен веществ, восприятие боли, сон и циркадные ритмы, настроение и обучение. А нарушения в передаче сигналов нейропептидов связаны со многими заболеваниями, включая бессонницу, диабет и депрессию. Однако, несмотря на высокую функциональную значимость нейропептидов, то, как именно, где и когда они оказывают свое действие на сложные системы мозга, до сих мало изучено. Мониторинг нейропептидов с высоким пространственно-временным разрешением in vivo может дать представление об их функциях в физиологических условиях и патофизиологии заболеваний, а также способствовать разработке новых лекарств. В своем исследовании авторы разработали серию высокоселективных и чувствительных генетически кодируемых нейропептидных сенсоров. Эти сенсоры демонстрируют высокочувствительный и специфичный ответ на соответствующие лиганды как в клеточных линиях, так и в первичных нейронах, не затрагивая эндогенные сигнальные пути. Такая гибкая инженерная стратегия и набор полученных оптимизированных пептидных сенсоров открывают путь к изучению высвобождения, регуляции и функций различных нейропептидов как в физиологических, так и в патофизиологических состояниях. — A tool kit of highly selective and sensitive genetically encoded neuropeptide sensors, «Биомолекула»: «Взаимодействие нервной и иммунной систем: предпосылки новой терапии».

Физиология

Диета для микробиоты

Не секрет, что примерно 1,5–3 кг от нашего веса приходится на микробиоту, а более 90% ее «жителей» находятся в кишечнике. Улучшение колонизации, выживания и устойчивости этих полезных микробов имеет большой терапевтический потенциал, поскольку именно они играют решающую роль как в поддержании здоровья, так и в развитии различных заболеваний. В частности, кишечные комменсальные бактерии содержат множество генов, которые не имеют гомологов в организме своих хозяев, а значит, обеспечивают выполнение различных уникальных функций. Для млекопитающих эти функции включают извлечение энергии из неперевариваемых пищевых волокон, выработку витаминов и устойчивость к патогенам. Нарушение микробиоты кишечника у человека связано с метаболическими нарушениями, иммунодефицитами, изменением восприимчивости к фармакологическим агентам, проблемами психического здоровья и даже некоторыми видами рака. Авторы обзора обсуждают потенциал и преимущества использования кишечных комменсалов в роли пробиотиков, однако они отмечают, что крайне важно изначально выявить бактериальные детерминанты и условия в организме хозяина, такие как диета и режим питания (например, голодание), которые в целом способствуют росту полезных кишечных бактерий. — Advancing the fitness of gut commensal bacteria.

Комментарии