Дайджест вышел при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках инициативы «Десятилетие науки и технологий».

---

Министерство образования России активно содействует популяризации науки, поддерживает молодых исследователей и формирует передовую инфраструктуру для отечественных институтов и университетов.

---

«Десятилетие науки и технологий» — это масштабная государственная инициатива в России, проводимая с 2022 по 2031 год. Проект включает в себя комплекс инициатив, проектов и мероприятий. Все они направлены на усиление роли науки и технологий в решении важнейших задач развития общества и страны.

Структурная биология

Ученые впервые увидели, как вирусоподобная частица собирается буквально по молекуле

Как именно десятки белковых субъединиц самостоятельно собираются в сложную симметричную структуру вирусного капсида, долгое время оставалось трудноуловимым процессом: промежуточные состояния возникают ненадолго и быстро сменяют друг друга. Авторы новой работы смогли наблюдать этот процесс практически в реальном времени, объединив масс-фотометрию (если по-простому, то это сверхточный микроскоп-весы, который взвешивает отдельные молекулы по одной) с методом удержания отдельных молекулярных комплексов.

Исследователи использовали искусственную вирусоподобную частицу, состоящую из 60 одинаковых белковых субъединиц, и проследили судьбу отдельных комплексов по мере их сборки. Оказалось, что белки сначала образуют относительно нестабильные промежуточные структуры, а затем постепенно переходят в топологически замкнутые состояния. После формирования первого замкнутого кольца дальнейшее присоединение субъединиц становится гораздо более вероятным, и частица быстро достраивается до конечной формы.

Таким образом, несмотря на огромное количество теоретически возможных вариантов сборки, система надежно выбирает правильный путь благодаря сочетанию слабых обратимых взаимодействий и геометрии промежуточных структур (рис. 1). Новый подход позволяет наблюдать не просто конечный результат самосборки, а весь молекулярный процесс ее создания, что может пригодиться при разработке вакцин и препаратов, вмешивающихся в сборку вирусных частиц. — Molecular-level observation of the self-assembly of a virus-like particle, «Биомолекула»: «12 методов в картинках: протеомика».

Нейробиология

Муха, которая играет в компьютерные игры и торгует биткоином

Думаю, что уже многие слышали про исследование, где в общий доступ выпустили полный коннектом центральной нервной системы самца мухи дрозофилы, около 166 700 нейронов. Это позволяет впервые на синаптическом уровне проследить путь информации от сенсорного сигнала до двигательного ответа и сравнить мужскую и женскую нервные системы (полный коннектом самки дрозофилы уже был выпущен ранее). Особенно интересно, что различия между полами сосредоточены преимущественно в высших интегративных центрах, тогда как периферические сенсорные и моторные цепи во многом сохраняются.

Коннектом — это подробная карта связей нервной системы: она показывает, какие нейроны существуют, с какими другими нейронами они соединены и где находятся эти соединения. Если геном можно представить как инструкцию организма, то коннектом — это схема «проводки» мозга. Такой подход позволяет изучать не только отдельные нейроны, но и то, как вся нервная система организует обработку информации и управление поведением.

Здесь полезно вспомнить о принципе reinforcement learning (RL, обучение с подкреплением). В RL агент получает информацию о состоянии окружающей среды, совершает действие и получает награду или штраф. Постепенно он учится выбирать действия, которые максимизируют будущую награду. Для мозга это интересная аналогия: если мы знаем структуру всех нейронных связей, можно попытаться построить вычислительную модель, в которой эта реальная архитектура мозга становится основой для управления поведением.

Конечно, Интернет превратил этот научный датасет в огромный экспериментальный конструктор. Энтузиасты подключали цифровой мозг мухи к Minecraft, Doom, Beat Saber, заставляли его парковаться, управлять роботами и даже торговать криптовалютой.

При этом сама работа прежде всего заключается в создании и анализе коннектома, а не в виде доказательства того, что муха является готовым RL-агентом. Авторы дают исследователям ресурс, на котором теперь можно изучать конкретные сенсорные, двигательные и поведенческие цепи.

А вот об истории этого коннектома стоит рассказать отдельно. Ведь за работой стоят годы работы с нервной системы дрозофилы и других модельных организмов, электронно-микроскопическими срезами, автоматической реконструкцией нейронов и машинным обучением. Все это — отдельная страница развития коннектомики, которая заслуживает полноценной статьи. — Sexual dimorphism in the complete Drosophila male central nervous system connectome, «Биомолекула»: «Факты и легенды о мультиомиксных технологиях».

Голубое пятно мозга оказалось не единым громкоговорителем

Норадренергические нейроны голубого пятна пронизывают почти весь мозг и влияют на внимание, возбуждение и обучение. Считалось, что они относительно равномерно распространяют норадреналин по разным областям. Новое исследование показало, что система устроена гораздо точнее.

Проследив проекции отдельных нейронов, их активность и экспрессию генов у мышей, исследователи обнаружили четкую пространственную организацию. Нейроны в дорсальной части голубого пятна преимущественно направляются к коре и переднему мозгу, а вентральные — к стволу мозга и спинному мозгу. При обучении первые активировались, в частности, при смене решения после неожиданного результата, то есть несли сигналы, связанные с ошибкой предсказания награды.

Получается, что норадреналиновая система не просто включает бодрость во всем мозге одновременно: разные группы нейронов могут передавать разные сигналы в разные области и в разные моменты поведения. Это меняет представление о работе системы, важной для внимания, обучения и развития ряда неврологических заболеваний. — Topographic structure and function of locus coeruleus noradrenaline neurons, «Биомолекула»: «Тайны голубого пятна», «„Скандальные“ молекулы с двумя названиями, которые командуют: „Бей или беги!“».

Человеческие нейроны сформировали кору внутри мозга мыши

Ученые создали мышей, у которых на ранних этапах развития генетически удалили большую часть собственной коры и гиппокампа, а затем пересадили туда органоиды человеческой коры , полученные из стволовых клеток. В результате человеческая ткань заняла значительную часть освободившегося пространства и сформировала разные типы корковых нейронов (рис. 2).

Органоиды — небольшие трехмерные структуры, которые выращивают из стволовых клеток в лаборатории. Они не являются полноценным «мозгом», но могут самостоятельно формировать разные типы клеток и воспроизводить некоторые процессы развития настоящей ткани. В этой работе ученые использовали органоиды человеческой коры, а затем пересадили их мышам, чтобы посмотреть, как человеческие нейроны развиваются и взаимодействуют с живым мозгом.

Человеческие нейроны выжили и встроились в нервную систему мыши, образовали связи с другими отделами мозга и демонстрировали организованную электрическую активность. У животных при этом сохранилось нормальное передвижение, хотя изменились некоторые особенности координации и спонтанного поведения. Авторы предлагают использовать такую систему для изучения развития человеческого мозга, моделирования заболеваний и тестирования терапии непосредственно на человеческой нервной ткани in vivo. — Developmental xenocortication using human-derived organoids in mice, «Биомолекула»: «Умные органоиды: диалог между стволовыми клетками и биоинженерией».

Один имплант научился одновременно декодировать речь и жесты

Для человека речь редко существует отдельно от жестов: мы одновременно говорим, киваем, жестикулируем и меняем выражение лица. Для людей с тяжелым параличом восстановить такую многокомпонентную коммуникацию особенно сложно. Исследователи показали, что один высокоплотный ECoG-имплант может одновременно считывать попытки говорить и двигать верхней частью тела.

Система использовала 253 электрода на поверхности сенсомоторной коры и обучалась на данных, где участники выполняли речь и жесты как отдельно, так и одновременно. Это оказалось принципиально важно: модели, обученные только на отдельных действиях, хуже работали при их сочетании. В реальном времени система переводила речь в текст, а жесты — в движения персонализированного виртуального аватара. В тестах одновременного декодирования точность для речи и жестов достигала примерно 70% и выше в зависимости от участника и задачи. — Simultaneous speech and gesture decoding for multimodal communication in paralysis, «Биомолекула»: «Нейроинтерфейсы и чтение мыслей. Способен ли „Призрак в доспехах“ стать реальностью?», «Борьба мозга с нейроинтерфейсами. Что мешает нам попасть в киберпанк?».

Почему во время беременности меняется тяга к определенной еде

Беременность сопровождается изменением пищевого поведения, но нейронные механизмы этого явления остаются не до конца понятными. Исследователи обнаружили у беременных мышей снижение активности серотонинергических нейронов дорсального шва, связанное с усилением активности калиевого канала SK3.

Когда SK3 удаляли именно из этих нейронов, связанное с беременностью усиление пищевого влечения уменьшалось. Напротив, искусственное увеличение активности SK3 у небеременных мышей воспроизводило изменения поведения, характерные для беременности. Исследователи также показали, что активация серотонинергического пути из дорсального шва в вентральную область покрышки снижает такое пищевое поведение (рис. 3).

Таким образом, работа связывает физиологические изменения беременности с конкретной цепочкой SK3, серотониновыми нейронами, системой вознаграждения и пищевым поведением. При этом результаты пока получены на мышах и не показывают, что тот же механизм действует у человека. — Serotonin neurons in the dorsal raphe control food-craving-like behavior during pregnancy in mice.

Оказалось, что мозг развивается из двух разных клеточных источников

Долгое время считалось, что все области мозга развиваются из единого пула нейральных предшественников. Исследование эмбрионов мыши показало другую картину: уже на ранних стадиях формируются два параллельных источника — один дает начало переднему и среднему мозгу, другой — заднему мозгу.

Эксперименты с человеческими плюрипотентными клетками подтвердили, что эти два типа предшественников быстро приобретают разные эпигенетические программы и практически не меняют свою судьбу. Используя второй тип клеток, исследователи смогли получить мотонейроны заднего мозга, которые раньше было особенно трудно выращивать в лаборатории. Результат не только меняет представление о происхождении мозга, но и дает более точную основу для моделирования заболеваний ствола мозга, включая БАС и спинальную мышечную атрофию. — Two parallel neural ectoderm progenitors contribute to the developing brain, «Биомолекула»: «Лаборатория молекулярных основ эмбриогенеза: от гена к признаку».

Эволюция

Почему по зубам хищника не всегда можно понять, что он ест

У хищных млекопитающих похожие зубы и формы тела появлялись независимо много раз. Но означают ли похожие зубы, что у животных был одинаковый рацион?

Исследователи сравнили строение тела у современных хищников и вымерших кошкообразных и обнаружили несколько разных эволюционных режимов. У небольших и всеядных хищников зубы плохо связаны с рационом: они могут питаться очень разнообразно. А вот у специализированных гиперхищников зубы гораздо точнее отражают диету и приспособлены к разрезанию мяса.

Получается, по одним только зубам не всегда можно понять, чем питалось вымершее животное. Их форму нужно рассматривать вместе с образом жизни и эволюционным контекстом. — Adaptive zones of feliforms and evolutionary regimes within terrestrial mammalian carnivores.

Молекулярная биология

Как растения включают иммунитет

После заражения патогеном в растении накапливается салициловая кислота — гормон, запускающий защитную программу. Исследователи показали, как этот сигнал превращается в активацию генов: салициловая кислота связывается с рецептором NPR1 и способствует его взаимодействию с MED15A, компонентом комплекса Mediator, который связывает регуляторы с транскрипционным аппаратом.

Криоэлектронная микроскопия и масс-спектрометрия показали, что салициловая кислота и MED15A совместно стабилизируют NPR1 и способствуют формированию активного комплекса. При этом белок NIMIN1 конкурирует с MED15A и тормозит этот процесс. Таким образом, исследователи раскрыли молекулярную цепочку, связывающую гормональный сигнал с включением защитных генов растения. — Transcriptional activation of plant immunity by salicylic acid.

Найден возможный предок CRISPR

Система CRISPR-Cas позволяет бактериям распознавать чужую ДНК с помощью направляющей РНК, но ее происхождение долго оставалось загадкой. Исследователи обнаружили у вирусов и бактерий гораздо более простой механизм VIPR, который также использует РНК для поиска определенных последовательностей ДНК.

VIPR оказался необычным: его РНК распознает ДНК не непрерывно, а по принципу «два нуклеотида — пропуск — два нуклеотида», формируя вместе с белком необычную трехцепочечную структуру. Система способна находить заданные последовательности, подавлять работу генов и защищать бактерии от бактериофагов. Авторы предполагают, что подобные вирусные системы могли быть позаимствованы бактериями и со временем дать начало CRISPR-Cas. — VIPR RNA-guided DNA recognition by noncontiguous geometric triplex formation, «Биомолекула»: «CRISPR-эпопея и ее герои».

Медицина

Опухоль создает вокруг себя защитную оболочку

Некоторые клетки рака поджелудочной железы экспрессируют белки SERPINE1 или SERPINB2, которые формируют вокруг опухоли плотный молекулярный матрикс. Эта структура удерживает иммунные клетки, подавляющие противоопухолевый ответ, и одновременно препятствует проникновению клеток, способных уничтожать опухоль.

Когда исследователи нарушали этот механизм у мышей, иммунная система эффективнее контролировала рост опухолей, а опухоли становились более чувствительными к иммунотерапии. Таким образом, работа показывает, что устойчивость рака к иммунному ответу может определяться не только самими опухолевыми клетками, но и тем, какую микросреду они создают вокруг себя. — Tumour cells shape their environment to protect them from the immune system, «Биомолекула»: «От медицинской онкологии к молекулярной биологии рака».

Иммунология

Вирусы научились перенастраивать клеточную систему утилизации белков

E3-убиквитинлигазам принадлежит ключевая роль в регуляции белкового обмена: они присоединяют убиквитин к белкам, после чего те могут разрушаться протеасомой или менять свою активность. Исследователи показали, что вирусные белки способны перехватывать эту систему и перенаправлять ее работу, вмешиваясь во врожденный иммунный ответ клетки.

Убиквитин — небольшой белок, который работает как метка для других белков. Клетка присоединяет его к ненужным или поврежденным белкам, чтобы отправить их на разрушение в протеасому, но такая метка может также менять активность, расположение или взаимодействия белка. E3-убиквитинлигазы определяют, какой именно белок нужно пометить.

Авторы обнаружили разнообразные вирусные механизмы, которые используют убиквитин-протеасомную систему хозяина для подавления противовирусной защиты. Эти результаты показывают, что E3-лигазы — не только инструмент вирусов для обхода иммунитета, но и потенциальная точка приложения новых противовирусных препаратов. — Virome-wide ubiquitin ligase discovery reveals diverse mechanisms of immune evasion, «Биомолекула»: «Танец знамений: убиквитин и протеасома в судьбе внутриклеточных белков».