Эволюция

Внутри окаменевшей головы: как эволюционировал череп

Череп — одна из самых сложных структур скелета позвоночных, демонстрирующая невероятное разнообразие анатомии и формы. У большинства позвоночных он представлен двумя частями: нейрокраниумом и висцерокраниумом (кости или хрящи лицевого черепа). Нейрокраниум является неотъемлемой частью головы всех позвоночных, что само по себе уже важное эволюционное нововведение. Но исследования процесса эволюции головы позвоночных были осложнены поразительно разной анатомией двух хорошо известных групп позвоночных — челюстноротых (челюстных позвоночных) и круглоротых (миксин и миног).

Однако в новой работе с помощью методов компьютерной томографии авторам стали известны новые анатомические особенности черепа позвоночных. Объектом исследования стала загадочная ископаемая рыба возрастом 458 миллионов лет, а именно — ордовикский гнатостом стволовой группы Eriptychius americanus из песчаника Хардинг в Колорадо (США). Оказалось, что окаменевшая голова Eriptychius имеет симметричный набор хрящей, который авторы интерпретируют как предглазничный нейрокраниум, охватывающий передние части латерально расположенных орбит, концевой рот, обонятельные луковицы и шишковидный орган. Это позволяет предположить, что у самых ранних челюстноротых нейрокраниум заполнил пространство между кожным скелетом и мозгом, как у галеаспид, остеостраканов и плакодерм. Однако эти хрящи не слиты в единую нейрокраниальную единицу, что позволяет предположить — это производный признак челюстноротых. Полученные знания заполняют большой временной и филогенетический пробел в понимании эволюции головы челюстноротых, обнаруживая нейрокраниум с анатомией, отличной от анатомии любого ранее описанного позвоночного. — The oldest three-dimensionally preserved vertebrate neurocranium.

Физиология

Клеточная память мамы

Часто говорят, что мама и ее ребенок неразрывно связаны на всю жизнь. Однако это выражение далеко не аллегорично. Во время беременности между матерью и ее потомством происходит клеточный обмен; при этом фетальные стволовые клетки, происходящие от плода, в небольших количествах сохраняются у матери — и, наоборот, материнские клетки передаются плоду. Именно они помогают стимулировать рост Т-регуляторных клеток, которые притупляют иммунный ответ, обеспечивая иммунологическую толерантность матери. Это — гарантия того, что плод не будет воспринят в роли чужеродного объекта и не будет отторгнут иммунной системой. Материнские CD4+ регуляторные Т-клетки (Treg-клетки), по сути, контролируют силу и продолжительность иммунного ответа, влияя на эффекторные Т-лимфоциты. Благодаря этому обеспечивается защита плода от осложнений в процессе беременности. Однако детали того, как именно Treg-клетки взаимодействуют с антигенами плода по окончании беременности, остаются загадкой.

В своем исследовании авторы использовали модель на мышах и отслеживали персистенцию материнских и фетальных микрохимерных клеток при многоплодной беременности от иммунологически разных отцов. Они продемонстрировали, что небольшие пулы фетальных антигенов изменяются между беременностями и влияют на судьбу фетально-специфичных T_reg-клеток в иммунологическом репертуаре матери. Авторы обнаружили, что плодные клетки от предыдущей беременности сохраняются и в последующих, тогда как материнские микрохимерные клетки, присутствующие у дочерней мыши, заменяются клетками потомства, когда дочерняя мышь беременеет. Таким образом, исследование демонстрирует, что тело мамы «помнит» всех своих генетически различных малышей посредством изменений как в пуле антигенов, так и в пуле T_reg-клеток памяти, в то время как дочери «забывают» своих мам с новыми иммунологическими воспоминаниями, импринтированными во время беременности. — Reproductive outcomes after pregnancy-induced displacement of preexisting microchimeric cells, «Биомолекула»: «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы».

Роль холинергических нейронов в регенерации кишечника

Фундаментальный и нерешенный вопрос регенеративной биологии заключается в том, как ткани возвращаются к гомеостазу после повреждения. Ответ на этот вопрос важен для понимания этиологии хронических заболеваний, таких как воспалительные заболевания кишечника и рак. Авторы использовали среднюю кишку дрозофилы, чтобы исследовать этот механизм, и обнаружили, что во время регенерации субпопуляция холинергических нейронов запускает транспорт Са²⁺ среди эпителиальных клеток кишечника, энтероцитов, чтобы способствовать возвращению к гомеостазу. Они обнаружили, что снижение регуляции консервативного холинергического фермента ацетилхолинэстеразы в эпителии кишечника позволяет ацетилхолину из специфических TNF/Egr5-чувствительных холинергических нейронов активировать никотиновые рецепторы в иннервируемых энтероцитах. Эта активация обеспечивает высокий уровень Ca²⁺, который распространяется в эпителии, способствуя созреванию энтероцитов с последующим уменьшением пролиферации и воспаления. Нарушение этого процесса вызывает хроническое повреждение, состоящее из ионного дисбаланса, гибели клеток и увеличения количества воспалительных цитокинов, напоминающих воспалительные заболевания кишечника. В целом, консервативный холинергический путь облегчает эпителиальный транспорт Ca²⁺, который заживляет эпителий кишечника. Результаты исследования демонстрируют нервно- и биоэлектрически -зависимую регенерацию кишечника и расширяют существующее понимание того, как именно ткань возвращается к гомеостазу после травмы. — Cholinergic neurons trigger epithelial Ca2+ currents to heal the gut.

Мультистволовая Вселенная мозга

Краниосиностозы — группа нарушений, связанных с преждевременным сращением швов черепа. Идентичность стволовых клеток черепа (CSC), которые продуцируют остеобласты, приводящие к слиянию при краниосиностозах, остается плохо изученной. В своей статье авторы сообщают, что череп содержит две отдельные популяции стволовых клеток, которые в физиологических условиях выполняют дополняющие друг друга функции, но могут действовать и в противоположных направлениях, вызывая расстройства.

Авторы показывают: как физиологическая минерализация свода черепа, так и патологическое сращение швов черепа при краниосиностозе являются результатом взаимодействия двух отдельных линий стволовых клеток. Это ранее уже идентифицированные CSC1 линии катепсина K (CTSK) (CTSK+ CSC) и отдельные стволовые клетки линии дискоидинового домена рецептора 2 (DDR2) (DDR2+ CSC), которые были обнаружены в результате исследования. Открытие того, что в черепе есть две группы стволовых клеток, которые производят сходные типы клеток-потомков, имеет большое значение для области исследований стволовых клеток и проливает свет на нарушения развития, от которого страдают многие дети. Взаимодействие между этими двумя популяциями стволовых клеток обеспечивает новый биологический интерфейс для модуляции минерализации свода черепа и проходимости швов. — A multi-stem cell basis for craniosynostosis and calvarial mineralization.

Кое-что важное о детском плаче

Все новорожденные млекопитающие плачут. У каждого из нас, вероятно, был опыт полета с плачущим ребенком. Большинство пассажиров раздраженно наденут наушники и будут надеяться, что ребенок заснет. Реакция же родителей заключается в поиске ответа на потребности малыша и попытках успешно его успокоить. Почему же существует эта разница? В отношении матерей хорошо известно, что беременность вызывает существенные изменения в организме, но мозг также претерпевает серьезные изменения, которые ученые только сейчас начинают понимать. Хорошо знакомый многим мамам гормон окситоцин невероятно важен для физиологии матери, включая процесс родов и выделение молока во время кормления грудью. Процесс сосания вызывает выброс окситоцина, но и другие сенсорные сигналы, в частности плач младенца, могут повысить его уровень у молодых матерей, что указывает на то, что плач может активировать нейроны окситоцина в гипоталамусе. В своей статье авторы сообщают об открытии нейронной цепи у мышей, которая активна только в мозге матери и способствует устойчивой и эффективной реакции мамы в ответ на сигналы бедствия от детеныша. — Neural circuitry for maternal oxytocin release induced by infant cries, «Биомолекула»: «Сама неоднозначность: гормон окситоцин».

Онкология

как помочь иммунитету найти опухоль

Известно, что метаболизм раковых клеток адаптируется для удовлетворения возрастающей потребности в энергии, биосинтезе и антиоксидантах, необходимых для пролиферации, роста опухоли и метастазирования. Влияние такого метаболического перепрограммирования на распознавание и уничтожение раковых клеток иммунными клетками еще недостаточно изучено. В своей работе авторы с помощью мышиной модели меланомы демонстрируют связь между митохондриальным метаболизмом раковых клеток и их способностью вызывать иммунный ответ. Электрон-транспортная цепь митохондрий необходима для иммунного ответа Т-клеток на антигены. Специфические нарушения этой цепи увеличивают выработку сукцината в раковых клетках. Накопление сукцината вызывает эпигенетические перестройки, которые индуцируют экспрессию генов, участвующих в презентации антигена. Это и способствуют иммуногенности опухоли, то есть обнаружению опухолевых клеток путем наблюдения за Т-клетками. Авторы резюмируют, что идентификация механизма, с помощью которого митохондриальные метаболиты формируют иммуногенность опухоли, имеет несомненный потенциал для разработки противораковой терапии. — Manipulating mitochondrial electron flow enhances tumor immunogenicity, «Биомолекула»: «Хороший, плохой, злой, или Как разозлить лимфоциты и уничтожить опухоль», «Тайная жизнь митохондрий».

Симпатические нервы на страже Т-клеток

Известно, что CD8+ Т-клетки являются важными компонентами иммунного ответа организма против вирусных инфекций и опухолей и способны уничтожать инфицированные и раковые клетки. Однако, когда антиген не может быть удален, Т-клетки переходят в дисфункциональное состояние, известное как истощение Т-клетки. Очевидно, что хронический антиген способствует истощению CD8+ Т-клеток, однако очень мало известно о том, как именно стрессовые реакции в тканях регулируют Т-клеточную функцию.

В новой работе авторы обнаружили связь между катехоламинами, связанными со стрессом, и прогрессированием истощения Т-клеток через β1-адренергический рецептор ADRB1. Они установили, что истощенные CD8+ T -клетки увеличивают экспрессию ADRB1, а воздействие катехоламинов на ADRB1+ T -клетки подавляет выработку и пролиферацию их цитокинов. Истощенные CD8+ Т-клетки группируются вокруг симпатических нервов ADRB1-зависимым образом. Злокачественные заболевания связаны с повышенным уровнем катехоламинов у пациентов. Полученные авторами результаты устанавливают связь между симпатической реакцией на стресс, иннервацией тканей и истощением Т-клеток. Исследование раскрывает новый механизм, с помощью которого блокирование β-адренергической передачи сигналов в CD8+ Т-клетках омолаживает их противоопухолевые функции. — The β1-adrenergic receptor links sympathetic nerves to T cell exhaustion, «Биомолекула»: «Клетки, которые лечат людей».

Разработка лекарств

Первый синтез противораковых морских токсинов

Циклические иминные токсины морского происхождения, портимин А и портимин В были выделены из морской донной динофлагелляты Vulcanodinium Rugosum, собранной в Нортленде (Новая Зеландия) и привлекли к себе внимание благодаря своей химической структуре и значительному противораковому терапевтическому потенциалу. Однако доступ к большим количествам этих токсинов в настоящее время невозможен, а молекулярный механизм, лежащий в основе их мощной активности, до сих пор остается неизвестным. Для решения этой проблемы авторами представлен масштабируемый и быстрый синтез этих портиминов, в котором применяется логика, используемая в двухфазном синтезе терпеноидов, а также и другие тактики, в частности, использование таутомеризации кольцевой цепи и реорганизации скелета, чтобы минимизировать химию защитных групп через самовосстановление. Примечательно, что этот полный синтез позволил структурно переназначить портимин B и провести углубленную функциональную оценку портимина А, показав, что он избирательно и успешно индуцирует апоптоз в линиях раковых клеток человека и эффективен в in vivo моделях очищения опухоли. Таким образом, в исследовании не только представлен первый полный синтез портиминов, но и идентифицирована молекулярная мишень портимина А, а также показано, что токсин вызывает запрограммированную гибель клеток в раковых опухолях человека. — Synthesis of portimines reveals the basis of their anti-cancer activity.

Биоинформатика

Предсказывая патогенность

Многие генетические мутации, вызывающие заболевания у людей, происходят в участках генов, кодирующих белки. Изменение отдельных аминокислот в составе белковой молекулы иногда оказывает незначительное влияние, но чаще приводит к проблемам в процессе фолдинга, уровне активности или стабильности белка. Несмотря на то, что возможности секвенирования ДНК и идентификации вариантов таких мутаций существенно возросли, способность интерпретировать их эффекты остается весьма ограниченной. Особенно остро эта проблема стоит для так называемых миссенс-мутаций — точечных мутаций, в результате которых измененный кодон начинает кодировать другую аминокислоту. А ведь именно они составляют подавляющее большинство в ряде заболеваний по классификации клиницистов.

В своей работе авторы презентуют алгоритм машинного обучения AlphaMissense, предназначенный для прогнозирования эффектов от различных вариантов мутаций, основанный на методологии AlphaFold для прогнозирования белковых структур на основе последовательностей генов. В свое время этот метод произвел революцию в вычислительном предсказании белковых структур. Авторы демонстрируют превосходную производительность AlphaMissense по сравнению с другими алгоритмами, что, вероятно, улучшит интерпретацию данных секвенирования и повысит роль вычислительных прогнозов в диагностике генетических заболеваний. Важно отметить, что результатами AlphaMissense является оценка патогенности, отражающая вероятность того, что мутации вызовут заболевание, а не прогнозируемые изменения в белковых структурах. Авторы подчеркивают, что прогнозы AlphaMissense могут пролить свет на молекулярное влияние вариантов мутаций на функцию белка, способствовать выявлению патогенных миссенс-мутаций и ранее неизвестных генов, вызывающих заболевания, а также повысить эффективность диагностики редких генетических заболеваний. — Accurate proteome-wide missense variant effect prediction with AlphaMissense, «Биомолекула»: «Белковые галлюцинации: как справляется AlphaFold?».

Молекулярная биология

Короткие ДНК повторы — «серые кардиналы» генетических заболеваний

Экспрессия генов в клетке регулируется белками, называемыми транскрипционными факторами (ТФ), которые связываются регуляторными элементами ДНК в геноме. Несмотря на десятилетия, посвященные исследованию особенностей сайтов связывания ТФ, они не полностью объясняют наблюдаемое геномное связывание в клетках. Многие ТФ связываются с регионами, лишенными сайтов, тогда как другие области с явно сильными мотивами остаются незанятыми. Новые данные свидетельствуют о том, что контекст последовательности ДНК, окружающей соответствующий сайт, также может сильно влиять на связывание. Короткие тандемные повторы представляют собой хороший пример таких контекстов ДНК-последовательности. Известно, что примерно 5% генома человека состоит из таких коротких повторов — последовательностей, в которых повторяющиеся нуклеотиды из 1–6 пар оснований образуют массив длиной до 100 пар. Хотя варьирование длины таких повторов часто коррелирует с изменением в уровне транскрипции, механизм, с помощью которого они влияют на экспрессию генов, остается до конца не выясненным. А ведь вариации длин таких повторов связаны с изменениями экспрессии генов, которые являются ключевыми при некоторых наследственных заболеваниях, например, болезни Хантингтона, аутизме и шизофрении. В своем исследовании авторы продемонстрировали, что короткие тандемные повторы оказывают свое воздействие путем прямого связывания белковых факторов транскрипции. Измерение константы связывания для 609 различных комбинаций ТФ-ДНК показало, что различные короткие повторы могут изменять аффинность связывания более чем в 70 раз. Авторы предполагают, что короткие тандемные повторы действуют как «реостаты» для настройки локальной концентрации ТФ и реакций связывания в процессе регулировки экспрессии генов при заболевании, процесса развития или гомеостаза. — Short tandem repeats bind transcription factors to tune eukaryotic gene expression, «Биомолекула»: «Повтор, еще повтор!».

Нейробиология

Регенерация аксонов для победы над параличом

Для осуществления произвольных движений необходима сохранность корково-мышечного пути — двухнейронного пути, соединяющего кору больших полушарий мозга со скелетной (поперечно-полосатой) мускулатурой. Тело первого (верхнего, или центрального) нейрона находится в коре прецентральной извилины, его аксон направляется для образования синапса со вторым (нижним, или периферическим) двигательным нейроном, находящимся в спинном мозге. Аксоны периферического мотонейрона идут уже непосредственно к мышце. При поражении как центрального, так и периферического нейронов корково-мышечного пути, например, в результате травмы спинного мозга, возникает полное выпадение произвольных движений в тех или иных мышечных группах или паралич. Хотя несколько экспериментальных подходов показали положительные результаты в регенерации аксонов после травмы спинного мозга, полное восстановление двигательных функций пока остается недостижимой целью. Авторы исследования выдвинули гипотезу, что восстановление полной проекции аксонов выбранной популяции нейронов до их естественной мишени может способствовать лучшему функциональному восстановлению.

Чтобы проверить эту идею, ученые применили проекционно-специфическое и сравнительное одноядерное секвенирование РНК для выявления субпопуляций нейронов, которые способствуют восстановления ходьбы после неполной травмы спинного мозга. Они показали, что направление перерезанных аксонов этих нейронов в их естественную целевую область приводили к существенному восстановлению ходьбы после полной травмы спинного мозга у мышей. Напротив, широкое восстановление аксонов по всему поражению не оказало никакого эффекта, что позволяет предположить: для функционального восстановления после травмы спинного мозга необходим более целенаправленный подход. Таким образом, восстановление естественных проекций охарактеризованных нейронов составляет существенную часть стратегий регенерации аксонов, направленных на восстановление утраченных неврологических функций при параличе, вызванном травмой спинного мозга. — Recovery of walking after paralysis by regenerating characterized neurons to their natural target region.

Новый маркер в борьбе с резистентной к лечению депрессией

Резистентная к лечению депрессия (TRD) является серьезной глобальной проблемой, и существует острая необходимость в разработке новых эффективных методов лечения. Пациенты с TRD испытывают широкий спектр мучительных симптомов, включая стойкое плохое настроение, ангедонию, психомоторную заторможенность и суицидальные мысли. Глубокая стимуляция мозга (DBS) с использованием в качестве мишени подмозолистой поясной извилины (SCC) может обеспечить долгосрочное облегчение симптомов резистентной к лечению депрессии. Однако возможность стабильного выздоровления непредсказуема и обычно требует корректировки стимуляции методом проб и ошибок из-за индивидуальных траекторий восстановления и субъективных сообщений о симптомах. Развитие ответа на антидепрессанты нелинейно и различно для каждого человека, часто включая периоды колебаний настроения, для которых нет однозначной клинической интерпретации. В настоящее время не хватает объективных биомаркеров мозга, которые могли бы помочь в принятии клинических решений, отличая естественные колебания настроения от ситуаций, требующих вмешательства.

Чтобы устранить этот пробел, авторы извлекли спектральные особенности из интраоперационных/ периоперационных потенциалов локального поля (LFP), записанного при отключенной стимуляции, для классификации «больного» и «стабильного ответа» (то есть первых 4 недель и последних 4 недель 24-недельного периода наблюдения) у типичных респондентов. Классификатор нейронной сети (с перекрестной проверкой и исключением одного участника) смог различать состояния «больной» и «стабильный ответ» у пяти типичных респондентов, что позволяет предположить, отражается ли излечение депрессии в аналогичных электрофизиологических изменениях у всех участников. Затем ученые обучили генеративно-каузальный блок объяснения идентифицировать спектральный дискриминационный компонент (SDC), который представляет собой скрытое отражение спектральных характеристик, которые в совокупности фиксируют разницу между состояниями «больной» и «стабильный ответ», как это определено классификатором нейронной сети. Таким образом, SDC служит маркером LFP, отражающим статус относительно депрессивных/здоровых состояний. При этом более высокие значения указывают на «больное» состояние, а более низкие значения указывают на состояние «стабильного ответа». По истечении 24 недель исследования 90% участников продемонстрировали устойчивый клинический ответ, а 70% достигли ремиссии. Выбранный биомаркер отличается от временных эффектов стимуляции, чувствителен к терапевтической корректировке и точно фиксирует отдельные состояния восстановления. Авторы подчеркивают, что эти результаты развивают существующую практику DBS SCC, обеспечивая объективную информацию для поддержки персонализированного клинического ведения, дают новое понимание сложных взаимосвязей между функциональными, структурными и поведенческими факторами, участвующими в выздоровлении конкретного пациента, и способствуют дальнейшим исследованиям по использованию мультимодальных измерений для лечения депрессивных расстройств. — Cingulate dynamics track depression recovery with deep brain stimulation.