241 геном млекопитающих и другие новости недели

Циркадные ритмы

1. Исследователи из Корнеллского университета (США) опубликовали в Nature статью о новых деталях работы циркадных часов у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Основные участники регуляции циркадного ритма — транскрипционные репрессоры Tim (Timeless), и Per (Period), а также фоторецептор Cry (Cryptochrome). Tim и Per образуют гетеродимер, который подавляет экспрессию их собственных генов (и других генов с суточными ритмами). В результате концентрации Tim и Per падают, гены дерепрессируются, их транскрипция запускается снова, уровень белков растет, цикл повторяется. Фотосенсорный криптохром Cry на свету взаимодействует с Tim и направляет его на деградацию в протеасомы; так молекулярные часы синхронизируются со световым днем. Авторы статьи впервые получили изображения комплекса Cry-Tim при помощи криоэлектронной микроскопии. Оказалось, что CRY связывается с повторами armadillo на N-конце белка Tim, а также с его С-концевой спиралью; последнее напоминает взаимодействие между светочувствительными криптохромами и их партнерами у млекопитающих. Свет синего спектра влияет на структуру кофактора криптохрома — флавина, что и позволяет белку связываться с Tim и «подводить» молекулярные часы дрозофилы. Некоторые особенности этого взаимодействия объясняют, почему различные аллели Tim, частота которых в популяциях зависит от географической широты, по-разному влияют на светочувствительность насекомых.

Некодирующие РНК

2. Статья ученые из Японии, опубликованная в iScience, посвящена длинным межгенным некодирующим РНК (lincRNA) и их функции. Известно, что их экспрессия даже более тканеспецифична, чем у белок-кодирующих генов, но не было понятно, что обеспечивает эту высокую специфичность. Авторы новой работы показали, что локусы lincRNA чаще локализованы в глубине топологически ассоциированных доменов (TAD), чем гены белков, и что тканевая специфичность lincRNA, находящихся внутри TAD, выше, чем у тех, что находятся снаружи. Высокая специфичность экспрессии lincRNA делает их перспективными биомаркерами; их профили экспрессии можно использовать для идентификации заболеваний. Так, выяснилось, что у здоровых людей и у пациентов с гипертрофической кардиомиопатией различается экспрессия более 130 lincRNA. В частности, lincRNA, обозначенная LINC00881, вероятно, вовлечена в регуляцию миокард-специфических путей при гипертрофированной кардиомиопатии.

Нейробиология

3. В Nature Communications вышла статья о гене, связанном с тревожными расстройствами, и его регуляторе — малой интерферирующей РНК. Тревожные расстройства часто вызываются нарушениями в миндалевидном теле. У мышей после стресса, вызванного 6-часовой иммобилизацией, экспрессия нескольких малых некодирующих РНК в нейронах миндалины выросла почти в два раза. Из них исследователи выбрали молекулу с наибольшим повышением экспрессии — miR-483-5p. Когда ее ввели мышам, у них изменилась морфология нейронов и были репрессированы 12 генов; репрессия трех из них была подтверждена на клеточной линии (PGAP2, MACF1 и GPX3). Только ген PGAP2 соответствовал всем необходимым критериям: его экспрессия регулируется стрессом, его продукт локализован в синапсах и на мембране клеток, он экспрессируется в нейронах и супрессируется посредством miR-483-5p. Поведенческие эксперименты на мышах показали, что оверэкспрессия miR-483-5p у мышей предотвращает поведение, схожее с тревожными расстройствами.

4. Статья британских и корейских ученых в журнале Neuron описывает регуляцию аутофагии (деградации внутриклеточных элементов, опосредованной лизосомами) в нервных клетках при нейродегенеративных заболеваниях. Ученые выяснили, что хемокины CCL3, CCL4 и CCL5, выделяемые активированными клетками микроглии, связываются с CCR5 — рецептором, сопряженным с G-белком, на поверхности нейронов. CCR5 через активацию mTORC1 снижает продукцию аутофагосом. На линиях мышей, моделирующих нейродегенеративные заболевания (болезнь Генгтингтона, таупатии), было показано, что активация микроглии у них повышена по сравнению со здоровыми. Нокдаун гена CCR5 значительно улучшал состояние больных мышей. К сходному результату приводило и ингибирование CCR5 при помощи маравирока — препарата против ВИЧ, который взаимодействует с рецептором CCR5 перед тем, как проникнуть в клетку. Эффект препарата подтвердился на обеих линиях больных мышей.

5. Препараты, одобренные FDA для терапии глаукомы и высотной болезни, — ингибиторы карбоангидразы, — могут быть использованы для терапии болезни Альцгеймера. Ученые из США и Дании показали, что у мышей, экспрессирующих человеческие бета-амилоиды, накопление которых приводит к состоянию, сходному с болезнью Альцгеймера, прием с пищей ацетазоламида и метазоламида в течение 8 месяцев снижает содержание бета-амилоидов в глии, сосудах и тканях головного мозга. Также у них улучшаются когнитивные функции и состояние сосудов. Терапия препаратами активировала некоторые сигнальные пути в глии, уменьшающие накопление бета-амилоидов. Карбоангидраза — мишень препаратов — была повышена как в мозгах мышей с экспрессией человеческих бета-амилоидов, так и в мозгах умерших пациентов с церебральными амилоидными ангиопатиями (включая болезнь Альцгеймера). Ингибирование карбоангидразы подавляло опосредованный бета-амилоидами эндотелиальный апоптоз.

6. Статья в Cell Metabolism открывает взаимосвязь между рецептором FLVCR1 и холином. Ученые из США выяснили, что потеря FLVCR1 в человеческих клетках приводит к ингибированию транспорта холина в клетки, митохондриальной дисфункции, а также влияет на регуляцию ответа на стресс через киназу HRI. У мышей нокаут FLVCR1 вызывает смерть эмбриона, однако внутриутробные добавки холина продлевают жизнь зародышей. Исследователей заинтересовал холин, так как это ключевой компонент клеточных мембран и нейротрансмиттеров, а его недостаток связан со многими заболеваниями. FLVCR1, таким образом, идентифицирован как переносчик холина.

Онкология

7. В возникновении протоковой аденокарциномы поджелудочной железы, самого распространенного и смертоносного типа раков этого органа, важную роль играет фактор сплайсинга SRSF1, сообщают авторы статьи в Cancer Discovery. При панкреатите уровень экспрессии повышен, также он повышен и в опухолевых тканях поджелудочной железы. Более того, повышение уровня экспрессии SRSF1 способно индуцировать панкреатит. С другой стороны, снижение уровня SRSF1 может остановить разрастание опухолей, что было показано как на мышах, так и органоидах — искусственных моделях опухолей. Сам по себе фактор сплайсинга не может быть целью терапии, поскольку он необходим для нормального функционирования клеток, однако в качестве мишеней могут быть использованы некоторые изменения, которые провоцирует этот белок, утверждают авторы.

8. Новый способ  неинвазивной диагностики рака предлагают инженеры и ученые из Массачусетского технологического института (США) в Nature Nanotechnology. Эндогенные биомаркеры рака требуют высокой чувствительности тестов. Поэтому мышам вводили наноконструкции: короткие пептиды — мишени пептидаз, активность которых повышена при онкопатологиях, — и связанные с ними ДНК-штрихкоды, химически стабилизированные для нечувствительности к нуклеазам. Освобожденные протеазами ДНК-штрихкоды идентифицируются в необработанной моче с помощью CRISPR-Cas12a-диагностики (в качестве метода считывания можно использовать детекцию флуоресценции или тест-полоску). В экспериментах на мышах панель из пяти ДНК-штрихкодов достоверно отличила опухоли, впервые возникшие в легких, от метастазов колоректального рака в легкие. Исследователи утверждают, что таким образом можно не только диагностировать само заболевание, но и отслеживать эффективность терапии. Сейчас они работают над созданием микрофлюидного чипа на 46 штрихкодов и планируют начать испытания на добровольцах.

Гастроэнтерология

9. Подход к созданию селективного антимикробного препарата, нацеленного на желудочный патоген Helicobacter pilori, предлагают немецкие ученые в Cell Chemical Biology. Они показали, что ингибиторы митохондриального комплекса I (НАДН-дегидрогеназного комплекса, который есть и в мембране бактерий) избирательно уничтожают H.pilori, при этом не влияя на другие грамположительные и грамотрицательные бактерии, в том числе на микробиоту кишечника. Такая гиперчувствительность H.pilori связана с уникальным строением хинон-связывающего кармана комплекса I.

Борьба с COVID-19

10. Международная группа исследователей в ACS Publications описывает новый подход к терапии, целью которой является РНК, — малые молекулы, деградирующие нуклеиновые кислоты при сближении с ними (proximity-induced nucleic acid degrader,PINAD). Исследователи создали две группы подобных молекул, целью которых были особые участки в геноме коронавируса, — G-квадруплексы (мотивы, образованный гуаниновыми тетрамерами, соединенными водородными связями) и так называемые бета-коронавирусные псевдоузлы. Взаимодействие сгенерированных молекул с мишенями было обсчитано in silico, затем исследователи подтвердили их способность к связыванию и деградации РНК in vitro, в том числе на клетках, зараженных SARS-CoV-2. Эксперименты на клетках подтвердили селективное воздействие на коронавирусную РНК, но не на 18S РНК клетки. Эффективность PINAID была также проверена на линии мышей K18-hACE2 (эти мыши экспрессируют человеческие ACE2 рецепторы, с которыми взаимодействует SARS-CoV-2). Препараты значительно снижали вирусную нагрузку в легких грызунов и не давали неспецифических реакций.

Биоинформатика

11. Большая группа ученых из Европы предлагает новый метод анализа баз данных, полученных РНК-секвенированием единичных клеток. Метод CloneTracer представляет собой байесовскую модель, которая идентифицирует иерархические взаимоотношения между мутациями и распределяет клетки по клонам. Модель учитывает частоты аллелей, полученные экзомным секвенированием, и технический «шум», связанный с секвенированием. Исследователи применили свою модель к клеткам пациентов с острой миелоидной лейкемией, чтобы отделить здоровые стволовые клетки от клеток, инициирующих рак.

Геномика

12. Консорциум Zoonomia предоставил 241 геном плацентарных млекопитающих, включая вымершие виды; для геномов произведено полное выравнивание. Этому достижению посвящены 11 публикаций в специальном выпуске журнала Science. Выравнивание геномов, при котором не используется человек в качестве эталонного вида, дает интересные результаты, например, позволяет обнаруживать высококонсервативные (то есть функционально важные) участки генома, находить геномные элементы, связанные с фенотипами, включая развитие обоняния, способность к гибернации, размер мозга и вокализацию. В одной из работ было найдено более 439 тысяч консервативных кандидатных цис-регуляторных элементов cCRE и более 2 миллионов сайтов связывания транскрипционных факторов TFBS; это позволило провести различие между элементами, участвующими в процессах, которые являются общими для всех млекопитающих, и теми, которые регулируют специфические для приматов процессы. Другая работа посвящена мобильным элементам в геноме млекопитающих: они составляют 28% генома морской свинки, 66% генома ореховой сони и более 74% генома трубкозуба. Данные Zoonomia использовали для анализа геномов 682 волков и собак, в том числе знаменитого Балто — вожака санной упряжки, доставившей дифтерийный антитоксин в поселок Ном на Аляске в 1925 году.

Медицинская техника

13. В Nature Biomedical Engineering вышла статья о новом методе исследования головного мозга. Нарушения метаболизма глюкозы в мозге могут быть связаны с заболеваниями (так, опухолевые клетки потребляют гораздо больше глюкозы, чем нормальные), поэтому количественная оценка глюкозы и ее метаболитов методами ПЭТ и МРТ важна для диагностики. В качестве безопасной альтернативы радиоактивным изотопам исследователи использовали глюкозу, меченную дейтерием. Им удалось дифференцировать глутамат, глутамин, γ-аминомасляную кислоту и глюкозу, дейтерированные в определенных позициях, и одновременно картировать дейтерированные и недейтерированные метаболиты. Метод был испытан на МРТ-сканере мощностью 7 Тесла, однако исследователи утверждают, что он может работать и на МРТ-сканерах мощностью 3 Тесла, намного более распространенными.

Молекулярная диагностика

14. Компания 4bases из Манно (Швейцария), специализирующаяся на производстве диагностических наборов на основе NGS, заключила партнерство с Oxford Nanopore Technologies по разработке тестирования на варианты генов BRCA1 и BRCA2, связанные с предрасположенностью к раку груди и яичников. Компания планирует расширить свою диагностическую панель, чтобы включить в нее больше генов, поскольку стоимость секвенирования продолжает снижаться. В рамках этого партнерства 4bases будет разрабатывать и проверять свои продукты, адаптируя их к рабочему процессу секвенирования Oxford Nanopore. Первый набор, который будет выпущен, — экспресс-тест на BRCA1 и BRCA2, который может быть выполнен в течение одного дня. Компания тестирует другие продукты для нанопорового секвенирования, включая набор для анализа гена CFTR при муковисцидозе.

15. Mawi DNA Technologies получила разрешение FDA на набор, который обеспечивает сохранность образцов слюны и мазков из верхних дыхательных путей и устраняет необходимость выделения РНК при проведении молекулярного тестирования. Набор iSWAB-Respiratory Tract Sample Collection Media-Extraction Less (iSWAB-RC-EL) предназначен для сбора, транспортировки и хранения образцов при температуре окружающей среды в течение нескольких недель. Возможна инактивация образцов, предположительно содержащих вирус SARS-CoV-2, для дальнейшей безопасной работы с ними.