Влияние кишечной микробиоты самцов на их потомство и другие новости недели

Генетика поведения

1. Канадские ученые нашли у дрозофил новый ген, регулирующий параметр социальных сетей — степень посредничества. Этот параметр позволяет количественно измерить важность индивида в обеспечении взаимодействий внутри сети социальных контактов. Она определяется как число кратчайших путей, проходящих через индивида — узел социального графа. В зависимости от контекста социальной сети степень посредничества имеет разные значения. Например, если рассматривается сеть ученых, то высокая степень посредничества будет указывать на высокое число коллабораций; а в эпидемиологической сети высокая степень посредничества будет повышать риск инфицирования. Считается, что степень посредничества регулируется на генетическом уровне у многих видов, включая дрозофил, некоторых приматов и человека.

Ученые заметили разницу в степени посредничества у двух линий плодовых мушек — Canton-S и Oregon-R. Она объяснялась геном CG14109: у линий с нокаутом или нокдауном этого гена снижалась степень посредничества. Ученые назвали ген dokb (degrees of kevin bacon) в честь игры «Шесть шагов до Кевина Бейкона», в которой нужно загадать случайного актера и не более чем за шесть шагов найти связь между ним и Кевином Бейконом через фильмы, в которых они снимались. Для дрозофил линии Canton-S была характерна более высокая степень посредничества, чем для Oregon-R, что объяснялось наличием двух аллелей гена, различающихся на семь нуклеотидов и на одну аминокислоту. Обе аллели встречаются и у диких мушек, а значит, могут предоставлять им эволюционное преимущество. В белке, кодируемом dokb, ученые не обнаружили консервативных доменов, а сам ген не имеет гомологов за пределами отряда двукрылых. Тем не менее ученые предполагают, что путь, в котором участвует dokb, может существовать и у других видов.

Медицинская генетика

2. Миеломенингоцеле — это наиболее тяжелая и вместе с тем самая распространенная форма расщепления позвоночника (spina bifida), при котором через позвоночник выходит часть спинного мозга. Международный консорциум Spina Bifida Sequencing определил один из генетических рисков возникновения этого порока развития. Исследователи провели экзомное и полногеномное секвенирование 715 трио «родители плюс ребенок». Оказалось, что у людей с миеломенингоцеле в 23 раза чаще встречается делеция центрального участка длинного плеча хромосомы 22 (22q11.2). А у людей с такой делецией, в свою очередь, риск развития миеломенингоцеле повышен в 12–15 раз. Это связано с потерей гена Crkl, который экспрессируется в нервной трубке. Делеции этого гена у мышей было достаточно, чтобы у них развилось расщепление позвоночника. При этом на пенентрантность и экспрессивность такого аллеля влиял дефицит фолата у матери — известный фактор риска для этой патологии.

Иммунология

3. Общий вариабельный иммунодефицит — это редкий (один случай на 25 тысяч) вид врожденного иммунодефицита, при котором нарушена работа B-лимфоцитов и, соответственно, снижена выработка антител. Это заболевание полиморфно, его симптомы неспецифичны, а генетические причины неизвестны, поэтому поставить диагноз сложно. Американские ученые предложили использовать для диагностики модель на основе машинного обучения — PheNet. Этот алгоритм способен находить пациентов с общим вариабельным иммунодефицитом по их медицинским записям: медицинской истории, сведениям о визитах к врачам, анализам. PheNet мог поставить диагноз пациентам с общим вариабельным иммунодефицитом на 1–4 года раньше, чем они получили его. После анализа медицинских данных 880 тысяч пациентов из Лос-Анджелеса алгоритм отобрал 100 пациентов, для которых наиболее вероятно наличие такого иммунодефицита, и среди них 74%, скорее всего, действительно имеют такой диагноз. Также алгоритм валидировали на данных 6 млн пациентов из Калифорнии и Теннесси. Он оказался более точным, чем другие существующие методы диагностики общего вариабельного иммунодефицита, которые распознают только треть всех случаев.

4. Используя различные методы визуализации и генной инженерии, а также секвенирование РНК отдельных клеток, американские исследователи выяснили, что мозг может регулировать врожденный иммунный ответ через блуждающий нерв. Они вводили мышам внутрибрюшинно липополисахарид (ЛПС), чтобы стимулировать иммунный ответ, и обнаружили, что вслед за этим активируются нейроны рвотного центра, а также ядра одиночного пути в продолговатом мозге. Если об активности рвотного центра при болезни и ранее было известно, то ядро одиночного пути особенно заинтересовало ученых, так как оно связано с блуждающим нервом. При этом активность нейронов ядра одиночного пути была ассоциирована с регуляцией иммунного ответа. Если эти нейроны подавляли, то в ответ на введение ЛПС вырабатывалось в три раза больше провоспалительных цитокинов, в то время как противовоспалительный ответ снижался. Напротив, при искусственной стимуляции нейронов ядра одиночного пути уровень противовоспалительных цитокинов повышался почти в 10 раз, тогда как провоспалительных — снижался на 70%.

Оказалось, что этот путь регуляции иммунного ответа осью мозг—тело обеспечивается специфическими популяциями нейронов в мозге и в блуждающем нерве. В ядре одиночного пути маркером такой популяции нейронов стала дофамин-β-гидроксилаза (Dbh), а в блуждающем нерве оказались задействованы популяции с маркерами CALCA или TRPA1. TRPA1-нейроны блуждающего нерва передают противовоспалительные сигналы Dbh-нейронам ядра одиночного пути и таким образом способствуют противовоспалительному ответу, вероятно, давая положительный обратный ответ иммунным клеткам. Напротив, CALCA-нейроны блуждающего нерва сообщают Dbh-нейронам мозга о воспалении, в результате чего провоспалительный ответ немного снижается. Эту цепочку можно использовать для регуляции иммунного ответа при различных заболеваниях: например, в мышиной модели язвенного колита удалось снизить воспаление кишечника за счет хемогенетической активацией TRPA1-нейронов блуждающего нерва. Аналогичным образом можно бороться с цитокиновым штормом: после введения мышам летальной дозы и активации TRPA1-нейронов 90% мышей оставались живы.

Нейробиология

5. Мозг имеет огромные потребности в холине для биосинтеза фосфолипидов и нейромедиатора ацетилхолина. Однако до сих пор оставалось неясным, как холин пересекает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и попадает в мозг. Американские ученые показали в in vivo и in vitro экспериментах, что для пересечения ГЭБ холин использует транспортер FLVCR2, экспрессируемый эндотелиальными клетками ГЭБ. Интересно, что мутации в гене Flvcr2 могут приводить к дефектам церебральных сосудов и к гидроцефалии, — это подтверждает важность транспортера FLVCR2 для человека. Исследователи также определили структуру мышиного FLVCR2 с помощью криоэлектронной микроскопии и показали, что холин связывается с ароматическим карманом транспортера. Эта информация может оказаться полезной для таргетной доставки лекарств в мозг.

6. Рассеянный склероз характеризуется демиелинизацией, что связано со сниженной способностью олигодендроцитов к выработке миелина. Международный коллектив ученых выяснил, что причина этого — эпигенетическое подавление активности олигодендроцитов. При рассеянном склерозе в них реже встречается активирующая метка H3K27ac, но чаще обнаруживаются подавляющие метки H3K27me3 и H3K9me3. Исследователи разработали малую молекулу ESI1 (ингибитор эпигенетического сайленсинга), которая способствует выработке миелина, восстанавливая эпигенетический ландшафт олигодендроцитов. Благодаря действию ESI1 в ядре клеток образуются конденсаты, состоящие из транскрипционных факторов SREBP1/2 и коактиваторов, которые совместно регулируют биосинтез липидов и холестерина.

Действие малой молекулы уже проверили на животных и на органоидах из индуцированных плюрипотентных клеток (иПСК) человека. У животных моделей рассеянного склероза после применения ESI1 вновь образовывалась миелиновая оболочка на аксонах нейронов. Также ESI1 способствовал выработке миелина в органоидах, содержащих олигодендроциты. Любопытно, что ESI1 оказался полезен и для стареющих мышей: способствуя обновлению миелиновой оболочки, он восстановил когнитивные функции животных, которые ухудшились из-за старения.

7. Американские исследователи сравнили эпигенетический профиль моторных нейронов, полученных из иПСК от 380 пациентов с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) и от 80 здоровых контролей. Ученые использовали метод ATAC-seq, позволяющий оценить степень открытости и доступности хроматина. Как и ожидалось, на результаты влияли пол и происхождение донора, а также тип клеток, из которых получали иПСК. Скорректировав влияние этих факторов, ученые нашли 1402 участка хроматина, в которых его доступность отличалась при БАС по сравнению с нормой. Например, оказался затронут сайт связывания транскрипционного фактора NFY, нарушение работы которого ранее ассоциировали с нейродегенерацией. Характерные эпигенетические изменения обнаружили и среди пациентов — носителей расширенного гексануклеотидного повтора GGGGCC в гене C9orf72, известного как фактор риска для развития БАС. У таких пациентов оказалась снижена доступность промотора/сайта инициации транскрипции C9orf72.

С помощью данных ATAC-seq, заложенных в модель линейной регрессии, ученым удалось предсказать скорость прогрессии БАС по функциональной шкале ALSFRS-R. Точность такого метода прогнозирования оказалась сравнимой с другими методами, основанными на оценке клинического статуса или концентрации биомаркеров (нейрофиламентов). Исследователи нашли также ряд участков хроматина, доступность которых была ассоциирована с замедленной прогрессией. Например, при сниженной доступности промотора гена транскипционного фактора ZNF300 болезнь прогрессировала медленнее.

Онкология

8. Поверхность опухолевых клеток часто бывает покрыта гелеобразным веществом — гликокаликсом, богатым сиаловой кислотой. Гликокаликс выступает физической преградой для иммунных клеток, а также подавляет их активность. Ученые из Исследовательского института Скриппс (США) предложили присоединять к биспецифическим антителам, активирующим Т-клетки (BiTE), сиалидазу, чтобы улучшить иммунотерапию солидных опухолей. Использование гибридных анти-HER2 (или анти-PSMA) и анти-CD3 BiTE с сиалидазой значительно улучшало цитотоксическое действие Т-клеток против клеток рака молочной железы или простаты. Благодаря удалению слоя сахаров между иммунными и опухолевыми клетками образовывался более крупный иммунологический синапс.

Действие гибридных BiTE проверили на мышиных ксенографтных моделях лейкемии и рака молочной железы, а также на сингенной мышиной модели меланомы. Во всех трех случаях BiTE, нацеленные против специфического опухолевого антигена (HER2 для рака молочной железы, CD19 для лейкемии, EGFR для меланомы) и CD3 лимфоцитов, а также несущие сиалидазу, помогали замедлить рост опухоли или добиться ее полного исчезновения. При этом гибридные BiTE оказывались более эффективными по сравнению с обычными.

Микробиота и репродукция

9. Ученые из Италии и Германии выяснили, что нарушения кишечной микробиоты самцов мышей влияют на их потомство. У самцов вызывали дисбиоз кишечника с помощью невсасывающихся антибиотиков или осмотических слабительных, которые животным давали на протяжении шести недель. Хотя дисбиоз не влиял на фертильность самцов, последствия были видны на потомстве: снижалась масса тела детенышей и повышалась их смертность. При этом эффект дисбиоза был обратимым. Если самцам в течение шести недель давали антибиотики, а потом прекращали, то через восемь недель микробиота кишечника животных восстанавливалась и потомство получалось нормальным.

Дисбиоз кишечника самцов никак не влиял на микробиоту матерей или потомства. Зато у самих будущих отцов снижалась масса яичек и нарушалась их морфология, изменялся метаболизм: нарушался биосинтез сфинголипидов, глицерофосфолипидов и эндоканнабиноидов, которые важны для сперматозоидов. Также из-за дисбиоза снижался уровень лептина — гормона, который вырабатывается адипоцитами и сперматозоидами. Дисбиоз кишечника самцов не влиял на эпигеном сперматозоидов, но воздействовал на их транскриптом, изменяя уровень различных малых РНК. Нарушение микробиоты кишечника отца также не оказывало влияния на транскриптом детенышей, но изменяло транскриптом плаценты. Кроме того, оно повышало риск осложнений беременности, в том числе преэклампсии.

Малярия

10. Международная группа ученых определила у 1818 взрослых из Ботсваны, Танзании, Эфиопии и Камеруна длину теломер лейкоцитов. Этот показатель уменьшается с возрастом и ассоциирован с рядом заболеваний, вызываемых старением. Хотя известно, что у жителей тропической Африки теломеры лейкоцитов длиннее, чем у европейцев и у афроамериканцев, до сих пор этот параметр не исследовался на различных африканских этнических группах. Исследователи генотипировали участников с помощью ДНК-чипов и определяли длину теломер с помощью саузерн-блота. Возраст и пол участников объясняли около 20% вариации в длине теломер, генетические факторы — еще 50%. В остальном вариация объяснялась факторами среды, а именно распространенностью малярии. У людей, которые жили в «малярийных» регионах, теломеры оказались короче. Например, у народа тикар, населяющего регионы Камеруна, где распространена малярия, теломеры лейкоцитов короче на 0,7-0,8 килобазы, чем у родственных им народов гереро и мбукушу, живущих в регионах Ботсваны, где малярия не так распространена. Ученые предположили, что из-за частого заражения малярией, приводящей к разрушению эритроцитов, у людей активируется гематопоэз, вследствие чего и сокращаются теломеры лейкоцитов.

11. Исследователи из Великобритании, Мали и Франции составили атлас развития малярийного плазмодия Plasmodium falciparum. Они проанализировали около 37 тысяч клеток лабораторного штамма плазмодия с помощью секвенирования РНК отдельных клеток (scRNA-seq). В результате они описали стадии бесполого размножения плазмодия в эритроцитах, а также его перехода к половому размножению на уровне клеток и генов. Ученые выявили кластер клеток, который соответствует началу перехода к половому размножению, а также определили профили экспрессии, характерные для зрелых самцов и самок плазмодия. Дополнительно изучили около 8 тысяч клеток паразитов, выделенных из четырех пациентов, зараженных несколькими штаммами плазмодия. Это позволило определить разницу в транскриптомах гаметоцитов разных штаммов, а также выявить изменения в экспрессии генов при старении паразитов. Финальный атлас, описывающий 45 691 клеток P. falciparum, опубликован на интерактивном ресурсе Malaria Cell Atlas.

Сердечно-сосудистые заболевания

12. Ученые из Австралии, Швейцарии и Португалии представили супрамолекулярный антикоагулянт с антидотом, который обращает его действие. Антикоагулянт состоит из двух малых молекул, взаимодействующих с активным центром тромбина и с сайтом связывания гепарина. Такой механизм ингибирования тромбина был вдохновлен пептидами, которые выделяют слюнные железы пиявок, клещей, комаров и мух, чтобы препятствовать свертыванию крови животного. К малым молекулам, составляющим антикоагулянт, также присоединена пептидно-нуклеиновая кислота (ПНА); оба фрагмента соединяются за счет комплементарного связывания ее цепей. Такой антикоагулянт полностью ингибировал фибриноген при концентрации 100 нМ, а тромбин — при концентрации 2,5 мкМ, при этом время коагуляции мышиной и человеческой плазмы крови значительно увеличивалось уже при концентрации 250 нМ. Внутривенное введение препарата мышам через полчаса увеличило активированное тромбопластиновое время (aPTT) — меры скорости сворачивания крови — почти в два раза. У мыши, которой наносили небольшую рану иглой, супрамолекулярный антикоагулянт ингибировал образование фибрина и снижал размер тромба так же эффективно, как и используемый в клинике аргатробан, но при дозе, в 24 раза меньшей.

Чтобы обратить действие антикоагулянта вспять, ученые разработали антидот — ПНА, которая конкурирует за гибридизацию с цепями ПНА фрагментов антикоагулянта. Это обеспечили за счет включения в антидот диаминопуринов, которые образуют очень стабильные дуплексы с комплементарными цепочками. В in vitro экспериментах 10 мкМ антидота восстанавливали около 40% активности тромбина, подавленной 15 нМ антикоагулянта, за полчаса. Прекратить действие антикоагулянта с помощью антидота удалось и в мышиных моделях.

Исследователи считают, что предложенный ими механизм действия лекарства и антидота может быть полезен и в иммунотерапии — например, для регулирования активности CAR T-клеток, чтобы избежать цитокинового шторма.

Ожирение и физическая активность

13. Международный коллектив ученых выяснил, что разработанный для лечения рака ингибитор митохондриальной транскрипции (IMT) полезен для борьбы с ожирением. Мыши восемь недель получали пищу с высоким содержанием жиров, а затем им четыре недели перорально давали либо IMT, либо плацебо, не меняя питание. У мышей на диете с высоким содержанием жиров за это время развилось ожирение, но через неделю приема IMT животные стали быстро терять вес. При этом их аппетит остался без изменений, а лекарство не вызывало нарушений всасывания питательных веществ. Прием IMT также нормализовал уровни глюкозы и инсулина у мышей и обратил вспять гепатостеатоз — накопление жиров в печени. Эти эффекты объясняются тем, что IMT перестраивает весь метаболизм животных с окислительного фосфорилирования на окисление жирных кислот. Наибольший эффект, как показали результаты протеомного и метаболомного анализа, проявляется в печени, где преимущественно и накапливается препарат.

14. Консорциум Molecular Transducers of Physical Activity описал влияние тренировок на выносливость крыс на молекулярном уровне. Всего в исследовании участвовало 344 крысы, которых тренировали на выносливость одну, две, четыре или восемь недель, при этом сложность тренировок постепенно повышалась. После тренировок у крыс увеличивалось максимальное потребление кислорода, у самцов процент жира снижался на 5%, у самок он не изменялся. Вес самцов также не менялся, хотя у самок повышался. После тренировок у крыс собирали органы и проводили различные «омиксные» анализы: исследовали геном, транскриптом, протеом, метаболом, липидом, фосфопротеом, ацетилпротеом, убиквитилпротеом, эпигеном и иммуногеном крови, плазмы крови и 18 типов тканей. Наиболее описанными на молекулярном уровне в итоге стали сердце, икроножная мышца, печень, белая жировая ткань, почки, легкие, бурая жировая ткань и гиппокамп.

Исследователи увидели, как организм крыс приспосабливался к тренировкам на выносливость. В этот процесс были вовлечены и метаболизм, и митохондрии, и иммунитет, и ответы на стресс. Около 58% всех параметров различались между самками и самцами.

Некоторые данные, полученные в исследовании на крысах, могут быть полезны для понимания влияния тренировок на человека. Например, тренировки на выносливость приводят к экспрессии белков теплового шока, которые могут оказывать защитное действие. Изменение в активности митохондриальных ферментов в печени и регуляция метаболизма липидов говорит о том, что упражнения могут быть полезны при гепатостеатозе или неалкогольной жировой болезни печени. Изменения в уровне и разнообразии цитокинов могут свидетельствовать о пользе таких тренировок при воспалительных болезнях кишечника. Полученные данные, размещенные в свободном доступе, могут использоваться для проверки различных гипотез о влиянии тренировок на выносливость.