Эмбриология

От восьмиклеточного зародыша к специализации клеток: роль гена Nr5a2

После слияния половых клеток образуется зигота — клетка, из которой разовьется полноценный организм. Сначала она делится так, что все новые клетки — бластомеры — одинаковы; более того, из каждой может развиться полноценный зародыш. Начиная со стадии восьми клеток количество возможных судеб потомков для каждой клетки уменьшается, клетки становятся более специализированными. В итоге зародыш доходит до стадии бластоцисты, которая состоит из трех линий клеток с определенной судьбой: эпибласта, формирующего сам плод, трофэктодермы и примитивной энтодермы, поддерживающих его рост. В каждой из данных линий транскрибируются определенные гены: для них известны транскрипционные факторы, но то, как именно осуществляется переход к реализации программ трех линий, было плохо изучено. Исследователи из института Пастера показали, что ген Nr5a2 очень важен для этого процесса, и свою роль он начинает играть со стадии восьми клеток. У мутантов по этому гену нарушается регуляция тысяч транскриптов, включая транскрипционные факторы, характерные для каждой линии. Интересно, что раньше считалось, что этот ген необходим для перехода контроля развития зародыша от материнского генома к зиготическому, но изящные эксперименты с нокаутом генов показали, что для этой стадии Nr5a2 не необходим. — Nr5a2 is dispensable for zygotic genome activation but essential for morula development, «Биомолекула»: «Путешествие во времени: как судьба первых клеток эмбриона влияет на его дальнейшее развитие и риск заболеваний».

Онкология

Не остановить активность киназы, а перенаправить

Многие виды рака зависят от мутаций или сверхэкспрессий протеикиназ — ферментов, фосфорилирующих белки. Многие препараты осуществляют свой эффект, подавляя работу протеинкиназ. В новой статье Science представлен совсем другой подход, связанный с киназами для терапии диффузной В-крупноклеточной лимфомы. Вместо нарушения работы ферментов исследователи перенаправили их деятельность в нужное русло. Известен ген BCL6: в норме он обладает антиапоптотическими свойствами — препятствует ненужному наступлению программируемой клеточной гибели. Мутации в нем, приводящие к постоянному уходу клетки от апоптоза, играют важную роль в развитии лимфомы. Учеными был создан набор малых молекул, которые связываются с BCL6 и с лигандами транскрипционной киназы CDK9. В итоге эти молекулы, которые назвали CDK-TCIP (CDK-transcriptional/epigenetic chemical inducers of proximity), перенаправили CDK9 и ее активность в регулируемые BCL6 локусы, что привело к клеточной смерти злокачественных клеток. Дело в том, что CDK9 запускала экспрессию тех генов, которые блокировал BCL6. Самые мощные CDK-TCIP из созданных учеными убивали клетки В-клеточной лимфомы в субнаномолярных концентрациях в 100 раз более эффективно, чем совместный эффект малых молекул, которые подавляют CDK9 и BCL6. Кроме того, эти молекулы были в 200 раз менее токсичны для нормальных человеческих лимфоцитов, чем для диффузных крупных клеток В-клеточной лимфомы. Возможно, новый вариант воздействия на протеинкиназы, перемещение их активности в определенную область, найдет множество применений в медицине. — Relocalizing transcriptional kinases to activate apoptosis, «Биомолекула»: «Соревнуясь с раком».

Стволовые клетки, синдром Дауна и предрасположенность к лейкемии

У детей с синдромом Дауна риск развития лейкемии в 150 раз выше, чем у детей без этого заболевания. Недавнее исследование показало, что изменения в укладке ДНК в стволовых клетках печени плода играют ключевую роль в этом увеличении. Уже давно было замечено, что в раннем детстве у детей с синдромом Дауна возникают различные проблемы с кровью, например, у новорожденных может быть повышен уровень эритроцитов. У плода на определенных стадиях развития кровь вырабатывается в печени. Ученые обнаружили, что в стволовых клетках печени дополнительная копия 21 хромосомы изменяет упаковку ДНК в ядре. Области ДНК, важные для развития лейкемии из-за другой укладки полинуклеотидной цепи, становятся более подвержены мутациям. Усугубляет ситуацию повышенный окислительный стресс при трисомии по 21 хромосоме. Все данные о протекании и нарушении кроветворения у больных синдромом Дауна были объединены в молекулярную карту эмбрионального кроветворения. Карта учитывала данные из транскриптомики отдельных клеток более 1,1 миллиона клеток с данными о доступности хроматина: использовались образцы печени и костного мозга от трех нормальных плодов и 15 плодов с трисомией. Новые данные о развитии такого серьезного заболевания у детей с синдромом Дауна в будущем помогут найти необходимую терапию. — Single-cell multi-omics map of human fetal blood in Down syndrome, «Биомолекула»: «Как болезни крови генной терапией лечили».

Молекулярная биология

NEO против фагов

Общепризнанным свойством гена, кодирующего белок, является его линейное расположение вдоль оси ДНК, так что начало гена всегда находится выше конца гена. Однако новые исследования ставят под сомнение это базовое утверждение. У бактерий есть антифаговые белки, которые напрямую не кодируются в бактериальной ДНК. Для получения этих белков ДНК сначала транскрибируется в некодирующую РНК (нкРНК), которая преобразуется обратно в ДНК с помощью реакции обратной транскрипции по типу катящегося кольца. Полученная ДНК конкатамерная — она состоит из отдельных молекул, соединенных встык одинаковым образом. При фаговом заражении она становится двухцепочечной. Затем она транскрибируется в мРНК, которая кодирует противовирусный белок. При этом продукт ДНК представляет собой белок-кодирующий, почти бесконечный ген с открытой рамкой считывания (neo — nearly endless open reading frame), экспрессия которого приводит к мощной остановке роста клеток, ограничивая вирусную инфекцию. При данной реализации генетической информации не приходится говорить о расположении гена вдоль оси и сложно рассуждать о начале и конце гена. Такие махинации позволяют бактериям незаметно расширять свой геном. Важность и масштабы таких расширений еще только предстоит узнать. — De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase, «Биомолекула»: «Знакомые незнакомцы: внехромосомные кольцевые ДНК».

Медицина

Вакцина от последствий антибиотикотерапии

Бактерия Clostridioides difficile процветает и вырабатывает токсины, когда нормальные кишечные бактерии убиты антибиотиками. Этот микроорганизм вызывает псевдомембранозный колит — тяжелую инфекцию прямой кишки. Чтобы противостоять этой бактерии, разрабатывают вакцину из мРНК и липидных наночастиц для защиты уязвимых людей от токсигенной формы. Вакцина была разработана для воздействия на токсины и факторы вирулентности C. difficile. Она вызвала надежные и длительные антигенспецифические гуморальные и клеточные иммунные ответы в животных моделях, независимо от изменений в кишечной микробиоте. Возможно, подобные вакцины сократят тяжелые последствия антибиотикотерапии, вызванные Clostridioides difficile. — A multivalent mRNA-LNP vaccine protects against Clostridioides difficile infection, «Биомолекула»: «Антибиотики и ан­ти­био­ти­ко­ре­зи­стент­ность».

Неуязвимая Австралия

Австралия и остальная часть Океании являются последними регионами, свободными от высокопатогенного штамма птичьего гриппа, который вызвал массовую гибель птиц по всему миру и масштабную вспышку среди молочного скота в Соединенных Штатах. В чем загадка неуязвимости Австралии перед опасным недугом? Ученые высказали несколько предположений.

Во-первых, важна географическая изолированность Австралии, отсутствие импорта живой птицы. Во-вторых, многие птицы из этой страны являются эндемичными и не мигрируют в регионы, где распространяется вирус, например, утки и гуси, которые часто переносят вирус, в Австралии не склонны мигрировать. Также существует линия Уоллеса, проходящая через Индонезию, которую многие виды не пересекают по неясным причинам. Есть гипотеза, что вирус не адаптирован к животным к востоку от линии Уоллеса, но откуда взялась такая граница — загадка. Изучение устойчивости Австралии к птичьему гриппу представляет не только головоломку, но и имеет практическое приложение. Очень важно контролировать возможные пути попадания вируса в Австралию, знать их. Известно, что вирус может попасть в страну через морских птиц, например, буревестников, поэтому ученые их тестируют. За утками, хоть они и летают на малые расстояния, тоже стоит пристально наблюдать. Множество эндемичных видов могут быть очень чувствительны к болезни, поэтому стоит всеми силами избегать попадания вируса к ним. — Why hasn’t deadly bird flu reached Australia yet?, «Биомолекула»: «Птичий грипп: опасность на крыльях», «Птичий грипп: самая страшная пандемия».

Нейробиология

Модель нейронной активности

Моделирование активности нейронов в настоящем мозге — крайне привлекательная задача. Это способ максимально подробно подсмотреть наши мысли, действия. Возможно, сейчас мы стали еще на шаг ближе к реализации этой идеи. Консорциум FlyWire представляет и анализирует полный коннектом — схему связей и нейронов мозга взрослой самки плодовой мушки. В полученную структуру вошли около 140 000 нейронов и более 50 миллионов синаптических связей. Но помимо синаптических связей, существует еще множество других параметров, важных для предсказания нейронной активности. Недостаток знаний об этих параметрах исследователи восполнили, используя машинное обучение. Была создана модель нейронной сети с известными связями для 64 типов клеток из области восприятия движения в зрительной лобной зоне плодовой мухи, но параметры для свойств отдельных нейронов и синапсов были неизвестны. С помощью машинного обучения были воссозданы эти неизвестные параметры, чтобы модель могла обнаруживать визуальное движение. Предсказания о нейронной активности, которые выдает модель, совпадают с экспериментально измеренной активностью; в подтверждение было проведено 26 исследований.

В итоге комбинация полного коннектома и машинного обучения позволяет довольно точно предсказывать активность отдельных нейронов. — Connectome-constrained networks predict neural activity across the fly visual system.

Эволюция

Огромные геномы двоякодышащих рыб

Ученые провели полное секвенирование геномов африканской двоякодышащей рыбы Protopterus annectens и южноамериканской рыбы Lepidosiren paradoxa.Выполнить это исследование было сложно из-за того, что геномы двоякодышащих сложно организованы и велики. Но и интерес был велик, поскольку секвенирование дает новые знания об эволюции тетрапод, ведь именно двоякодышащие имеют общего предка со всеми тетраподами (земноводными, пресмыкающимися, млекопитающими и птицами). Геном Lepidosiren оказался самым большим среди всех изученных животных, он в 30 раз больше человеческого генома. В этом геноме много длинных интронов и повторяющихся элементов.

Интересно, что все геномы двоякодышащих рыб продолжают расширяться, так как некоторые мобильные генетические элементы все еще активны. Особенно быстро рос геном Lepidosiren в последние 100 миллионов лет, добавляя длину одного человеческого генома каждые 10 миллионов лет. Это масштабное расширение генома связано с уменьшением количества PIWI-взаимодействующих РНК и генов белков с доменами, которые подавляют распространение мобильных генетических элементов.

Расширение генома способствует хромосомным перестройкам, но последовательность ДНК легочных рыб все же сохраняют консервативные черты общего предка тетрапод. Плавники легочной рыбы Neoceratodus особенно выделяются среди трех изученных видов — тем, что их плавники подобны конечностям вымерших родственников, хотя прошло уже более 100 миллионов лет. Но у Lepidosiren и Protopterus таких плавников нет, они были вторично утрачены их предками. Данные секвенирования показывают, что это произошло из-за потери специфических энхансеров Sonic hedgehog, связанных с развитием конечностей. — The genomes of all lungfish inform on genome expansion and tetrapod evolution.

Как бактерии становятся органеллами

Теория симбиогенеза говорит, что митохондрии и пластиды — это потомки бактерий, которые когда-то вступили в симбиоз с клеткой-хозяином, которая поглотила их и завернула в свою мембрану. У теории существует множество доказательств: например, у митохондрий и пластид две или более мембраны, собственная ДНК и рибосомы, похожие на бактериальные. В новой работе, опубликованной в Nature, ученые пошли дальше: они не просто нашли новые доказательства, изучая митохондрии и пластиды, а попытались воссоздать эндосимбиоз искусственно. С помощью иглы шириной 500–1000 нанометров бактериальные клетки доставили в грибные. Забавно, что для доставки в грибки, которые имеют толстые клеточные стенки, поддерживающие высокое внутреннее давление, пришлось использовать велосипедный насос и воздушный компрессор, чтобы поддерживать достаточное давление. Хотя в основном гриб просто съедал подкинутую ему бактерию, когда ученые воссоздали естественный симбиоз, который происходит между грибом Rhizopus microsporus и бактерией Mycetohabitans rhizoxinica, грибки отказались съедать новых соседей. Они даже произвели споры, часть которых содержала бактерии. Когда эти споры прорастали, бактерии также присутствовали в клетках следующего поколения грибов. И хотя в ситуации, когда часть спор была с бактериями, а часть без, споры с бактериями исчезали через два поколения, все же вначале они передавались потомству, а среди отобранных спор только с бактериями они сохранялись и дальше. При этом спустя 10 поколений они уже прорастали почти так же эффективно, как и споры без бактерий. Ученым даже удалось обнаружить некоторые изменения в организмах, которые вступили в эндосимбиоз: секвенирование генома выявило несколько мутаций, связанных с улучшением прорастания спор у грибка, который был штаммом R. microsporus; в бактериях изменений не нашли.

Разработка таких симбиозов не только еще раз подтверждает красивую теорию, но и может привести к развитию новых организмов с полезными признаками, такими как способность потреблять углекислый газ или атмосферный азот. — Is this how complex life evolved? Experiment that put bacteria inside fungi offers clues, «Биомолекула»: «От сложного к простому: трудности симбиогенеза».

Развитие муравьиного грибного хозяйства

Многие еще из детских энциклопедий знают о том, что муравьи выращивают для себя грибы. Можно сказать, что у них есть свое «сельское хозяйство». Известно, что насекомые разводят разные грибы для питания, но эволюционная история их взаимоотношений была слабо изучена. Последние исследования дают информацию о том, как муравьи грибы «одомашнивали». С помощью зондов, нацеленных на более чем 2000 областей генов, было создано датированное эволюционное дерево для 475 грибов и аналогичное — для 276 муравьев. Сопоставив эволюционные деревья, ученые обнаружили, что грибково-муравьиное сельское хозяйство возникло примерно 66 миллионов лет назад, когда падение астероида временно прервало фотосинтез, что привело к глобальным массовым вымираниям, но способствовало распространению грибов. Позже одна предковая популяция грибков стала полностью зависеть от муравьев. Вероятно, это произошло, когда сезонно сухие, непригодные для грибов местообитания расширились в Южной Америке и изолировали часть грибов от их свободноживущих собратьев, обитающих во влажных лесах. История становления муравьиного сельского хозяйства не уступает по любопытности истории человеческого. Направление исследования необычно, взгляд на насекомых со стороны развития ими хозяйства очень неожиданный. — The coevolution of fungus-ant agriculture, «Биомолекула»: «Трудится, как муравей? Ленится, как муравей!».