Биоэлектронный сенсор загрязнений и другие новости недели

Иммунология

1. Врожденные лимфоидные клетки (ILC) — компонент первой линии защиты от патогенов. Они располагаются на различных барьерных поверхностях организма. Частным случаем являются клетки группы ILC2, участвующие в защите от паразитарной инфекции в кишечнике и проявляющие активность в дыхательных путях при аллергических реакциях. На мышиной модели дефицита таких клеток была продемонстрирована их роль в развитии и привлечении эозинофилов — мыши, лишенные ILC2, имели сниженное количество эозинофилов относительно контроля. Кроме того, у таких мышей было нарушено привлечение эозинофилов к дыхательным путям в случае моделирования аллергической астмы. Формирование иммунного ответа на паразитарную инфекцию кишечника также было затруднено — продукция слизи пораженной тканью снижалась, уменьшая также и эффективность элиминации паразитических червей из организма. Все это указывает на функции ILC2 как незаменимого регулятора ряда иммунных реакций, обеспечивающих ответ организма на аллергены и паразитарные болезни.

Онкология

2. Исследования влияния вязкости внеклеточной жидкости на скорость миграции раковых клеток показали, что в более вязкой среде клетки двигаются быстрее. Изменения вязкости внеклеточной жидкости в организме связаны с воздействием различных физиологических факторов и патологий, в частности, это происходит при онкологических заболеваниях. Можно было бы предположить, что повышение вязкости замедляет движущиеся в жидкости клетки, однако опубликованное на этой неделе исследование показало, что, напротив, подвижность различных типов клеток при увеличении вязкости возрастает. Механизм, обеспечивающий такое поведение клеток, основан на том, что механическая нагрузка на клетки, усиливающаяся при возрастании сопротивления среды, индуцирует формирование плотной актиновой сети при участии комплекса ARP2/3. Это, в свою очередь, активирует работу натриево-протонного обменника NHE1. Последний обеспечивает увеличение объема клеток и усиление натяжения мембраны, после чего происходит активация рецептора TRPV4, приводящая к локальному повышению концентрации ионов кальция. Все это обуславливает RHOA-зависимую сократимость клеток (RHOA — белок семейства малых ГТФаз Rho). Кроме того, мигрирующие раковые клетки обладают способностью «запоминать» пребывание в средах высокой вязкости — механическая память связана с контролем сигнального пути Hippo. Опыты на различных животных моделях (рыбки данио, куриные эмбрионы, мыши) показали, что влияние уровня вязкости внеклеточной жидкости оказывает эффект на ремоделирование актина и подвижность клеток как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе, приводя к активации миграции опухолевых клеток и более активному метастазированию в случае высоких показателей вязкости.

3. Злокачественная опухоль оболочек периферических нервов — редкий и высокоагрессивный вид саркомы, формирующейся из Шванновских клеток у пациентов с нейрофиброматозом. Исследование, опубликованное в Science Advances, основано на мультиомиксном анализе единичных клеток, полученных из образцов пациентов и мышиных моделей заболевания. Результатом стала идентификация сети транскрипционных факторов, регулирующей многие ключевые точки тех сигнальных путей, которые вовлечены в формирование опухолевых клеток. В частности, было показано, что крайне важную роль в этом процессе играют гены ZEB1 и ALDH1A1, а их нокаут у мышиной модели приводил к замедлению роста опухоли и снижал пролиферацию опухолевых клеток. Таким образом, мониторинг активности данных генов может служить потенциальным биомаркером, указывающим на риск трансформации нейрофиброматоза в злокачественную опухоль оболочек периферических нервов. Кроме того, вмешательство в работу этих генов при помощи низкомолекулярных соединений может оказаться ценным для терапии данного заболевания.

Нарушения нейроразвития

4. Транскриптомный анализ хвостатого ядра мозга пациентов с шизофренией, опубликованный в Nature Neuroscience, продемонстрировал причинно-следственные связи между данным заболеванием и нарушением уровня дофамина. В статье приведены результаты анализа генетического и транскриптомного ландшафта, полученного на посмертных образцах хвостатых ядер 443 человек (245 из которых были нейротипичными, у 154 была диагностирована шизофрения и у 44 — биполярное расстройство). Исследователи обнаружили, что нарушение дофаминового обмена в мозге является не только следствием, как было известно ранее, но и причиной шизофрении. Механизм, обуславливающий дерегуляцию уровня дофамина, основан на снижении экспрессии определенного подтипа дофаминовых рецепторов. Так называемый ауторецептор дофамина, расположенный на пресинаптической мембране, участвует в регуляции количества дофамина, выбрасываемого в синаптическую щель. Нарушение работы такого ауторецептора приводит к плохо контролируемому выбросу дофамина в течение длительного времени. Полученные данные о снижении количества дофаминового ауторецептора при шизофрении согласуются с гипотезой, утверждающей, что избыток дофамина способен обуславливать психотические симптомы и тем самым подтверждают «дофаминовую гипотезу» шизофрении.

5. Транскриптомный анализ тканей головного мозга, взятых из различных участков коры пациентов с расстройствами аутистического спектра (РАС), показал, что изменения в их случае затрагивают не только отдельные участки, ассоциированные с развитием данной формы нейроотличности. Секвенирование РНК в 11 регионах коры из всех четырех долей выявило ряд различий в экспрессии значительного числа генов, демонстрирующих определенные паттерны изменений как в отдельных участках, так и в масштабах всей коры. Наиболее значительные различия в локальной экспрессии генов наблюдались в зрительной коре и в области теменной доли. С учетом того, что последняя отвечает за обработку сенсорной информации, включая болевые и температурные ощущения, такие изменения могут соотноситься с сенсорной гиперчувствительностью, зачастую характерной для пациентов с РАС. Анализ взвешенных сетей коэкспрессии генов (WGCNA) показал также потенциальные источники генетических рисков развития РАС — в ходе данного анализа был идентифицирован определенный модуль генов, обогащенный связанными с синаптической пластичностью генами, снижение экспрессии которых в коре головного мозга ассоциировано с симптомами РАС.

Эпилепсия и ее лечение

6.  Предложена стратегия генной терапии, позволяющей избирательно регулировать деятельность патологически активных нейронов при таких заболеваниях, как эпилепсия. На мышиной модели эпилепсии был протестирован подход, основанный на применении промоторов, которые позволяют нейронам быстро отвечать на возрастание активности. Один из вариантов таких промоторов (промотор гена c-Fos) авторы работы использовали для регуляции экспрессии калиевых каналов Kv1.1 в аномально активных нейронах с целью снижения их возбудимости. Терапевтическая конструкция доставлялась в клетки при помощи аденоассоциированных вирусов, и модельные животные подвергались ряду тестирований, включающих в себя оценку противоэпилептической эффективности данной терапии (было показано, что разработанная схема действительно позволяет снизить возбудимость патологически активных нейронов в рамках модели эпилепсии) и ряд поведенческих тестов, призванных продемонстрировать, что применение такой геннотерапевтической конструкции не оказывает влияния на поведение в нормальном состоянии.

7. Результаты недавнего исследования подтвердили необходимость диагностики эпилепсии на генетическом уровне — учет генетических предрасположенностей при составлении схемы лечения способен улучшить клинические результаты противоэпилептической терапии. Так, из 418 участников исследования, протестированных на ассоциированные с эпилепсией генетические варианты, у 208 скорректировали курс лечения. При этом у 74,9% таких пациентов было отмечено клиническое улучшение, которое в большинстве случаев (64,7%) заключалось в снижении частоты или силы приступов или их полном исчезновении. На генетическом уровне наиболее распространенные варианты, при которых наблюдалась положительная динамика в ответ на коррекцию терапии, были ассоциированы с генами SCN1A, PRRT2, TSC2, KCNQ2 и DEPDC5. Небольшая доля пациентов сообщила также об ухудшении состояния после изменения в терапии — усилении припадков или развитии побочных эффектов. Генетические варианты эпилепсии в таких случаях были чаще всего ассоциированы с генами STXBP1 и PCDH19.

Развитие нервной системы

8. Посттранскрипционные модификации РНК, заключающиеся в замене аденозина на инозин, являются одним из наиболее распространенных видов редактирования РНК в клетках мозга человека. Работа РНК-аденозиндезаминаз (ADAR) в нейронах приводит к посттранскрипционному «перекодированию» последовательности, в результате которого иногда происходит замена аминокислот в белке. Подобный механизм играет важную роль в развитии мозга, поскольку участвует в регуляции кальциевой проницаемости, ремоделировании актинового цитоскелета в возбуждающих синапсах и еще ряде ключевых функций, обеспечивающих в совокупности нормальное формирование мозга. Вышедшее в Cell Reports исследование включало секвенирование РНК тканей дорсолатеральной префронтальной коры человека на разных стадиях развития, начиная от 6-недельных эмбрионов и заканчивая 20 годами. Всего было идентифицировано более 10 тысяч различных сайтов замены аденозина на инозин, расположенных преимущественно в 3′-некодирующих областях и интронах; однако 37 сайтов были выявлены в кодирующих участках генома, они приводили к замене аминокислоты в белковой последовательности. При этом наблюдается общая тенденция к возрастанию частоты такого редактирования с возрастом. Полученные данные позволяют сформировать и уточнить модель, согласно которой в ходе развития головного мозга человека осуществляется регуляция сигналинга и синаптической передачи.

9. За сайленсинг повторяющихся элементов генома человека, в том числе транспозонов, отвечает комплекс HUSH, содержащий белок MPP8, который позволяет ему распознавать гистоновую метку H3K9me3. Комплекс может привлекать к выключаемым элементам ряд других белков, в том числе MORC2. Мутации в MORC2 ассоциированы с аксональными нейропатиями и рядом отклонений в развитии нервной системы. Статья в Science Advances посвящена механизмам, обуславливающим развитие данных патологий, и роли двух упомянутых белков в нервных клетках. Прежде всего авторы показали, что функционирование этих белков критически важно в эмбриогенезе. Так, полный нокаут их генов приводил к 100%-ной летальности на эмбриональном уровне. Выключение этих генов только в нейронах приводило к ряду морфологических изменений, в том числе на уровне архитектуры головного мозга, и увеличению соотношения его размеров к общим размерам тела. Дальнейшие исследования показали, что MPP8 и MORC2A обеспечивают супрессию генов протокадгериновых кластеров, которые, в свою очередь, участвуют в формировании поверхности нейронов и их контактов с другими нейронами. Делеция MPP8 и MORC2A в нейронах приводила к увеличению числа синапсов, которое потенциально способно повлечь нарушение корректного функционирования тех или иных структур мозга.

Биоэлектроника

10. На основе генноинженерных Escherichia coli был разработан биоэлектронный сенсор, позволяющий в режиме реального времени детектировать загрязняющие вещества в воде. Синтетическая электрон-транспортная цепь, состоящая из восьми компонентов, призвана обеспечить передачу сигнала на электрод при помощи серных оксианионов в ответ на повышение концентрации тех или иных химических веществ в окружающей среде. Одним из предложенных авторами работы вариантов был тиосульфатный сенсор, состоящий из трех основных модулей. Захваченный бактерией тиосульфат преобразуется в сульфит-ионы, после чего последние восстановливаются при участии сульфитредуктазы SIR, ферредоксина и ферредоксин-NADP⁺-редуктазы. Полученный сульфид используется сульфид-хинон-редуктазой (SQR) для восстановления хинонов до хинолов, а затем хинол-дегидрогеназа CymA вместе с цитохром с-комплексом MtrCAB передают электроны непосредственно на электрод. Полученный сигнальный путь, таким образом, заставляет модифицированные бактерии производить электрический сигнал в ответ на контакт с тиосульфатом. Сама конструкция сенсора подразумевает иммобилизацию бактерий на электроде при помощи агарозного геля, что позволяет, с одной стороны, предотвратить попадание таких бактерий в окружающую среду, а с другой — снижает соотношение шума к целевому сигналу. Также были сконструированы биоэлектронные сенсоры и к другим загрязняющим веществам, например, 4-гидрокситамоксифену. Полученные конструкции показали свою эффективность при детекции загрязняющих веществ окружающей среды в режиме реального времени и продемонстрировали высокую чувствительность к целевым веществам в сочетании с быстрым срабатыванием.

Регенеративная медицина

11. Повреждение периферических нервов зачастую имеет долгосрочные негативные последствия. Восстановление нарушенных функций осложняется низкой скоростью роста аксонов и торможением регенеративных механизмов в отсутствие полноценной иннервации поврежденного участка. После ряда исследований на модельных свиньях был предложен подход, позволяющий регенерировать поврежденный участок нерва. Разработанные нервные трансплантанты, названные авторами TENG (tissue-engineered nerve graft), производятся при помощи механобиореакторов и состоят из протяженных аксоновых трактов, сформированных под воздействием непрерывного механического натяжения. Такая конструкция позволяет восстановить связь между разъединенными в результате повреждения участками нерва и поддержать регенеративную функцию, обеспечивая нормальное прорастание аксонов организма хозяина. Взаимодействуя с Шванновскими клетками, аксоны такого трансплантанта поддерживали регенерацию в моторных и мотосенсорных нервах после повреждений протяженностью до 5 см, приводя к восстановлению электрофизиологической активности клеток до функционального уровня. Предполагается, что дальнейшее развитие такого подхода способно помочь в восстановлении нервной проводимости после повреждений периферических нервов, которые в настоящий момент признают непоправимыми.

Молекулярные механизмы

12. Синдром Файнгольда 1 типа — редкое генетическое заболевание, имеющее ряд выраженных фенотипических проявлений, одним из которых является гастроинтестинальная атрезия (чаще всего атрезия пищевода или кишечника). Причина данного заболевания — мутации с потерей функции в гене Mycn, относящемся к семейству протоонкогенов MYC. До настоящего момента изучение патогенеза и поиск потенциальных способов терапии синдрома Файнгольда затруднялись отсутствием адекватной животной модели, которая и была разработана коллективом ученых из Ханчжоу (Китай). При помощи редактирования генома системой CRISPR были созданы модельные рыбки данио, на которых было продемонстрировано, что утрата функции гена Mycn приводит к значительному укорочению кишечника. Дальнейший транскриптомный анализ подгруппы клеток в составе развивающегося кишечника, наиболее подверженных влиянию мутации, указал на снижение экспрессии ряда рибосомальных генов, что, в свою очередь, нарушало нужный уровень трансляции генов и синтеза белка и приводило к остановке пролиферации.

13. Поддержание объема клетки — важная задача, обеспечивающая выживание клетки в случае, например, ее дегидратации при попадании в гипертонические условия. Исследование, посвященное лежащим в основе данного процесса механизмам, опубликовано на этой неделе в Cell. Оно демонстрирует ключевую роль WNK-киназ и обеспечиваемого ими фазового разделения в регуляции клеточного объема. Участие WNK1 в контроле объема клеток было показано и ранее, однако ряд моментов пока что оставался слабо охарактеризованным. Активация WNK1 при гиперосмотическом стрессе отвечает за координацию процессов восстановления объема клетки, которые обеспечиваются активацией Na-K-Cl-котранспортера NKCC1 и одновременной инактивацией калий-хлорных котранспортеров (KCC), что приводит к закачке ионов внутрь клетки и, как следствие, приведению объема к равновесному состоянию. Компоненты сигнального пути WNK при этом формируют в цитоплазме биомолекулярные конденсаты за счет разделения фаз. Такие структуры собираются в клетке в течение секунд, а фазовое поведение системы регулируется внутренне неупорядоченным С-концевым доменом WNK1.