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.

Нейробиология

Один атлас показал, как разные болезни меняют клетки мозга

Ученые проанализировали более 6,3 млн ядер дорсолатеральной префронтальной коры (рис. 1) 1494 доноров, включая людей с болезнью Альцгеймера, Паркинсона, шизофренией, биполярным расстройством и другими заболеваниями. Они построили единый одноклеточный атлас и сравнили изменения экспрессии генов между 65 типами клеток.

Оказалось, что разные заболевания имеют общие молекулярные признаки, связанные с базовыми клеточными процессами, но затрагивают клетки по-разному. При болезни Альцгеймера тяжелая патология сопровождалась уменьшением доли нейронов и увеличением количества иммунных и сосудистых клеток. Атлас позволяет проследить, какие клеточные изменения появляются на разных стадиях болезни, и найти общие механизмы сразу для нескольких заболеваний мозга. — Single-cell atlas of transcriptomic vulnerability across brain disorders, «Биомолекула»: «Нейродегенерации, или Массовые вымирания нейронов».

Мозг человека меняется по-разному на разных этапах жизни

Те же исследователи, на той же когорте проследили, как меняется экспрессия генов в разных типах клеток от раннего развития до старости. Оказалось, что изменения идут нелинейно: после активной перестройки в развитии наступает относительно стабильный период, а в позднем возрасте некоторые молекулярные программы снова становятся активными.

Особенно интересно, что разные типы клеток стареют неодинаково, и у каждого обнаруживаются собственные траектории изменения экспрессии генов. Такой атлас помогает понять, какие клеточные программы лежат в основе нормального развития и старения мозга и как они могут быть связаны с возрастными заболеваниями. — Lifespan single-cell transcriptomic atlas of the human prefrontal cortex, «Биомолекула»: «Старение „иммунитета“ головного мозга».

Рыбы передают друг другу сигнал об опасности

Жизнь в коллективе дает животным огромное преимущество: чтобы вовремя заметить хищника, вовсе не обязательно видеть его самому — достаточно считывать сигналы тревоги от социальных партнеров. Однако до сих пор оставалось загадкой, как именно мозг кодирует и обрабатывает эту чужую панику на уровне отдельных клеток. Исследователи изучили стайное поведение маленькой рыбки Danionella cerebrum и показали, что особи могут убегать от опасности, наблюдая за реакцией соседей, даже если сами не видят угрозу. Рыбы реагировали на виртуальных сородичей, которые внезапно исчезали или совершали характерное для бегства движение.

Одновременно с поведением, ученые регистрировали активность нейронов. В зрительных центрах среднего мозга и таламуса обнаружили клетки, реагирующие именно на резкое исчезновение сородича, движущегося характерным рывком. Так индивидуальная обработка зрительного сигнала позволяет быстро передавать информацию об опасности по всей группе. — Neuronal detection of social actions directs collective escape behaviour, «Биомолекула»: «Модельные организмы: данио рерио».

Тело крысы превратили в сеть для медицинских имплантов

Исследователи разработали систему SWANS (Smart Wireless Autonomous Networking System, то есть «умная автономная беспроводная сетевая система»), в которой ткани организма сами становятся каналом связи между имплантами и внешними устройствами. Вместо Bluetooth или других радиосигналов устройства передают друг другу короткие электрические импульсы через ионную проводимость тканей. В перспективе SWANS может позволить объединять множество носимых и имплантируемых устройств в единую сеть и координировать их работу без громоздких внешних коммуникационных систем. В экспериментах на крысах такая система связала датчики движения с нейростимулятором и позволила автоматически управлять движением задней конечности по сигналу от передней лапы. Импланты имеют размер менее 3 мм и практически не потребляют энергию в режиме ожидания. — An in-body networking system for communication between wearable and implantable therapeutics, «Биомолекула»: «Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни», «Куда ведут технологии при двигательных нарушениях», «Борьба мозга с нейроинтерфейсами. Что мешает нам попасть в киберпанк».

Молекулярная биология

В мозге нашли карту липидов, связанную с его архитектурой

Мозг — один из самых богатых липидами органов нашего тела. Около 60% его сухого веса составляют липиды. Они служат структурным материалом для клеточных мембран и активно участвуют в передаче сигналов между нейронами (формируют миелиновую оболочку, а некоторые виды липидов могут выполнять функцию сигнальных молекул, например, эндоканнабиноиды).

Долгое время тонкая химическая топография этих веществ оставалась загадкой, однако технологии масс-спектрометрии нового поколения позволили заглянуть на этот глубокий молекулярный уровень.

Исследователи создали карту липидов всего мозга мыши с микрометровым разрешением. Анализ 172 липидов позволил выделить 539 липизон — участков с характерным набором липидов (рис. 3). Их расположение оказалось связано не только с типами клеток и анатомическими областями, но и с удаленными окончаниями аксонов, то есть с нейронными связями.

Атлас также показал ранее незаметное химическое разнообразие белого вещества и изменения липидного состава мозга во время беременности. Такой подход добавляет к клеточным и генетическим атласам еще один уровень организации мозга — пространственную карту его липидного обмена. — The lipidomic architecture of the mouse brain, «Биомолекула»: «Как системная биология раскрывает тайны мозга», «Просто космос: судьбы метаболитов», «Allen Brain Atlas: транскриптом мозга».

Сера оказалась частью собственной антиоксидантной системы млекопитающих

Исследователи впервые показали, что клетки млекопитающих сами производят и накапливают циклооктасеру S₈ (кольцо из восьми атомов серы). Особенно много S₈ обнаружили в митохондриях и липидных каплях. Здесь он может превращаться в активные серосодержащие соединения, которые защищают липиды от окисления и подавляют ферроптоз — форму клеточной смерти, связанную с перекисным окислением липидов.

В тканях человеческого рака молочной железы S₈ накапливался в больших количествах, а в модели остеоартрита введение S₈ снижало окисление липидов в суставной ткани. Пока это фундаментальные и доклинические результаты, но они показывают, что у млекопитающих существует ранее неизвестный уровень метаболизма элементарной серы, связанный с защитой клеток от окислительного повреждения. — Mammals produce cyclo-octasulfur to suppress lipid peroxidation and ferroptosis, «Биомолекула»: «Из липидов — в дирижеры клеточных реакций, или Как общаются клетки».

Медицина

Эпигенетический выключатель может надолго подавить гепатит B

Современные препараты против хронического гепатита B подавляют размножение вируса, но не устраняют его ДНК из клеток печени. Исследователи предложили другой подход — CRMA-1001, который не разрезает вирусный геном, а направляет к нему эпигенетический фермент. С помощью липидных наночастиц комплекс доставляется в клетки печени и устанавливает на вирусной ДНК метильные метки, подавляя её транскрипцию. Причем мишенями становятся как внехромосомная cccDNA (особая кольцевая форма вирусной ДНК), так и интегрированные копии вируса в ядерную ДНК.

В моделях на мышах одна доза дала снижение вирусных маркеров более чем в 1000 раз, а после трех введений до 90% животных сохраняли неопределяемые уровни лабораторных маркеров вируса гепатита B (HBsAg и HBV DNA) через шесть месяцев. При этом в исследованиях на человеческих клетках не обнаружили признаков непреднамеренного воздействия на геном человека, а у приматов повышение печеночных ферментов было временным и наблюдалось только при максимальной дозе. Пока это доклинические данные, но авторы рассматривают CRMA-1001 как потенциальную основу для терапии, не требующей постоянного приема препаратов. — Development of an investigational epigenetic silencer therapy to transcriptionally inactivate viral DNA in chronic hepatitis B, «Биомолекула»: «Гепатит B: запутанная история от динозавров до наших дней».

Три рецептора сердца оказались связаны с одним и тем же путем фиброза

Ученые обнаружили неожиданный механизм, который запускает образование рубцовой ткани в сердце. Три рецептора аденозина (A1, A2A и A2B) обычно передают разные сигналы, но в фибробластах сходятся на общем сигнальном пути через белок Gβγ. Блокирование сразу этого общего пути снижало активацию фибробластов и образование рубцовой ткани в человеческих клетках, искусственной сердечной ткани и мышиных моделях.

Особенно интересно, что соединение CGS15943, блокирующее сразу несколько аденозиновых рецепторов, уменьшало жесткость искусственной сердечной ткани, а у мышей с уже развившимся фиброзом замедляло дальнейшее рубцевание и улучшало работу сердца. Пока это доклинический результат. Сам препарат не является готовой терапией, но найденный общий сигнальный узел может стать новой мишенью для лечения сердечного фиброза. — Targeting an atypical G protein-coupled receptor signaling pathway for cardiac fibrosis therapy, «Биомолекула»: «Не можешь излечить — восстанови! Как появилась регенеративная медицина и какие у нее возможности сегодня».

Этология

Как детство формирует у орангутанов культурный багаж

Орангутаны остаются с матерью около 8,5 лет, и за это время им предстоит научиться находить и обрабатывать множество видов пищи. Исследователи использовали многолетние наблюдения за 21 детенышем суматранских орангутанов и сравнили два типа обучения: социальное — через наблюдение за другими — и индивидуальное — через собственные исследования и попытки (рис. 4).

Оказалось, что эти стратегии работают вместе. Детеныши, которые чаще и наблюдали за другими, и самостоятельно исследовали окружающую среду, в дальнейшем имели наиболее широкий пищевой репертуар. Разница между особями с высокой и низкой активностью обучения достигала трехкратных размеров. Работа показывает, насколько важна индивидуальная траектория обучения для формирования поведенческого репертуара у диких человекообразных обезьян. — How 8 years of social and individual learning interact to shape ecological competence in orangutans.

Собаки используют согласные, чтобы выделять слова из человеческой речи

Непрерывная человеческая речь не содержит явных пауз между словами, поэтому мозгу приходится самостоятельно определять их границы. Исследователи с помощью ЭЭГ показали, что собаки, как и люди, при прослушивании речи особенно чувствительны к статистическим закономерностям в последовательностях согласных и используют их для сегментации речевого потока. При этом собачий мозг обрабатывает речь не полностью так же, как человеческий; для собак более значимой единицей оказывается слог, а не отдельный речевой звук. Результаты показывают, что способность извлекать структуру из непрерывной речи может опираться на общие механизмы статистического обучения, не являясь исключительно человеческой особенностью. — Neural evidence that dogs segment the speech they hear with a humanlike consonant bias, «Биомолекула»: «Что общего между пением птиц и речью человека?», «Мозг под наблюдением: путеводитель по методам нейровизуализации».

Генетика и эволюция

Почему люди так сильно отличаются чертами лица, хотя основные механизмы развития у нас общие?

Исследователи создали мультимодальный атлас развития человеческого лица на 6–11-й неделях эмбрионального развития, объединив одноклеточную транскриптомику, доступность хроматина и пространственную транскриптомику. Они выделили 56 клеточных состояний и проследили, какие гены и энхансеры работают в разных участках формирующегося лица.

Оказалось, что генетические варианты, связанные с особенностями лица, особенно сильно влияют на ранние мезенхимные клетки, а затем их действие становится более локальным. Среди найденных регуляторных участков оказался энхансер, связанный с PAX1 (гены группы Pax важны для раннего развития животных при определении спецификации тканей): его удаление у мышей приводило к нарушениям развития лицевого скелета. Атлас помогает связать генетические варианты с конкретными клетками и регуляторными элементами, через которые формируются индивидуальные черты лица и некоторые краниофациальные заболевания. — Atlas of cell types and regulatory elements underlying human facial diversity, «Биомолекула»: «Пространственный контакт».

Как быстро меняется ДНК центромер

Центромеры необходимы для правильного расхождения хромосом, однако их ДНК состоит из постоянно меняющихся повторов. Чтобы разгадать этот эволюционный парадокс, исследователи проследили за накоплением мутаций в центромерах Arabidopsis thaliana (рис. 5), применив метод сверхточной повторной сборки генома. Выяснилось, что точечные мутации здесь возникают почти в 10 раз чаще, чем в остальном геноме, а крупные перестройки постоянно добавляют или удаляют целые блоки повторов, волшебным образом сохраняя общую архитектуру центромеры.

Анализ мутантных растений с выключенным геном RTEL1 (главным тормозом избыточной генетической перетасовки) показал, что за быструю эволюцию центромер отвечает гомологичная репарация ДНК. В норме этот механизм чинит разрывы, но в монотонных повторах он легко путается. Компьютерное моделирование подтвердило: обнаруженного всплеска мутаций у мутантов вполне достаточно, чтобы с нуля воссоздать те самые гигантские однородные блоки, которые характерны для природных центромер. — The mutational dynamics of the Arabidopsis centromeres, «Биомолекула»: «Модельные организмы: арабидопсис», «Ядро и эпигеном».

Геномы и ископаемые переписали историю эволюции летучих мышей

Данное исследование, думаю, точно порадует зоологов и филогенетиков. На этот раз исследователи собрали и сравнили геномы ни много ни мало 103 видов летучих мышей, включая 42 новых, представляющих все 21 современных семейства (рис. 6). Вместе с данными о морфологии современных и ископаемых видов это позволило построить более полное филогенетическое дерево и уточнить родственные связи внутри группы.

Самый интересный результат касается происхождения летучих мышей: совместный анализ геномов и ископаемых указывает на Европу позднего палеоцена (первая эпоха палеогенового периода кайнозойской эры) как наиболее вероятный регион возникновения группы, а ископаемая Vielasia показывает, что эхолокация могла возникнуть еще до диверсификации (расхождения от общего предка) современных летучих мышей. — Reference genomes and fossils revise bat family phylogeny and biogeography, «Биомолекула»: «12 методов в картинках: „сухая“ биология», «Кластерный анализ и дилемма биологического пользователя».

Как эволюция изменила скелет человека

Чтобы понять, какие изменения сделали человеческий скелет отличным от скелета других человекообразных обезьян, исследователи изучили 561 410 человеческих вариантов в регуляторных участках ДНК. С помощью массового тестирования активности этих последовательностей и гибридных человеческо-обезьяньих клеток они построили карту генетических изменений, которые действительно влияют на работу генов в хрящевой и костной ткани.

Было обнаружено, что у человека эволюционно снизилась активность путей синтеза гликозаминогликанов (GAG) — молекул, поддерживающих свойства хряща. Их содержание в суставах человека оказалось примерно в 3–4 раза ниже, чем у человекообразных обезьян. Авторы предполагают, что эта особенность помогла сформировать уникальный человеческий скелет, но одновременно могла сделать нас более уязвимыми к дегенеративным заболеваниям суставов. — The gene-regulatory evolution of the human skeleton.