Ген подавления агрессии и другие новости недели

Нейроны птиц требуют меньше глюкозы, чем нейроны млекопитающих, для создания искусственного эмбриона достаточно одного типа стволовых клеток, нейросеть может управлять микроскопом, а по модификации гистонов в циркулирующей ДНК можно диагностировать рак — это и многое другое в обзоре за 5–11 сентября.

Художник
Наталья Дюкова

Питание

1. Жирная еда воздействует на мозг через кишечник — это и заставляет нас хотеть еще жирной еды, а ее вкус не так уж и важен. Исследователи из США изучали, как мыши реагируют на жирную пищу. Они предлагали им на выбор воду с подсластителями (которые кишечник и мозг воспринимают не так, как сахар) или с эмульгированнысм жирами, например, с соевым маслом. За пару дней у мышей выработалось стойкое предпочтение жирной воды. Тогда ученые генетически модифицировали мышей, чтобы они не могли чувствовать вкус жира, но такие мыши все равно предпочитали жирную воду подслащенной, то есть дело не во вкусовых рецепторах. Исследование активности мозга мышей показало, что во время поедания жирной пищи активируются нейроны конкретной области ствола мозга — каудального ядра солитарного тракта (caudal nucleus of the solitary tract, cNST). Эта же область ответственна за тягу животных к сахару: ранее ученые выяснили, что мозг реагирует на сахар благодаря рецепторам не только на языке, но и в кишечнике.

С жиром оказалось так же. Ученые идентифицировали нейроны блуждающего нерва, связывающего кишечник с мозгом, которые активируются, когда жир попадает в кишечник. В самом кишечнике исследователи обнаружили две группы рецепторов, которые реагируют на жир и посылают по блуждающему нерву сигналы в мозг. Одна группа рецепторов активируется в ответ на сахар, жир и аминокислоты, а вторая — только в ответ на жир. При блокировании этих рецепторов у мышей не развивалось предпочтение жира. Такого же результата ученые добились, заблокировав нейроны cNST или соответствующие нейроны блуждающего нерва.

Генетика

2. У дрозофил обнаружили ген деэскалации агрессии. Способность решать, когда пора прекратить драку, очень важна. Она позволяет регулировать свою агрессивность в соответствии с объективными условиями, например, когда не осталось сил или когда преимущества соперника очевидны. Опыт взаимодействия с сородичами снижает агрессию у многих видов, но пока неясно за счет чего это происходит. Авторы статьи, опубликованной в Science Advances, идентифицировали ген и группу нейронов, подавляющие агрессию у дрозофил, которые уже взаимодействовали с другими дрозофилами. Сначала ученые выбрали несколько генов-кандидатов и сравнили поведение обычных мушек и мушек с нокдауном нужных генов. Они наблюдали, как часто самцы мух бросаются на других самцов, то есть проявляют типичное для дрозофил агрессивное поведение. Ученые обнаружили, что более агрессивными были мухи без функционального гена nervy (nvy). Мухи без этого гена не инициировали больше конфликтов, но если драка начиналась, они сражались активнее и плохо распознавали сигналы соперника, которые обычно приводят к прекращению атаки. Кроме того, такие насекомые были более склонны к невыгодному спариванию в конкурентной среде.

Ген nervy — гомолог генов MTGs (myeloid translocation genes) позвоночных. Активация в нейронах дрозофил экспрессии человеческих MTGs снова снижала агрессивность. Ученые также выявили субпопуляцию нейронов, необходимых для регуляции агрессивного поведения через ген nervy, и с помощью секвенирования одиночных клеток идентифицировали некоторые другие гены, которые зависят от него.

3. Геномное исследование раскрыло историю одомашнивания осла: оно началось за 5 000 лет до нашей эры в Африке. Авторы статьи, опубликованной в Science, проанализировали геномы 207 современных ослов (Equus asinus), собранные по всему миру, и геномы 31 осла, жившего от 100 до 4 000 лет назад. Сравнение этих геномов показало, что ослов начали одомашнивать около 7 000 лет назад в Африке, вероятно, в Сомали и в Кении. Спустя пару тысяч лет одомашненные ослы распространились по всей Африке, а затем оказались в Европе и Азии, откуда позднее генетические потоки вновь вернулись в африканские популяции. Широкое и длительное расселение привело к значительному увеличению генетического разнообразия ослов. Анализ также выявил новую генетическую линию из Леванта, которая возникла примерно за 200 лет до нашей эры. Судя по всему, влияние этой линии простирается далеко за пределы региона, и до сих пор фрагменты ее генетического наследия можно обнаружить по всей Европе.

4. Исследование геномов домашних и диких яков выявило механизм их адаптации к недостатку кислорода при проживании на больших высотах. Хотя дикие (Bos mutus) и домашние яки (Bos grunniens) различаются внешне, они имеют общие генетические особенности, позволяющие жить в условиях высокогорья и даже бегать со скоростью 40 километров в час, несмотря на недостаток кислорода. Известно, что сердце и легкие яка больше, чем, например, у коров того же возраста и размера. Кроме того, в крови яков больше гемоглобина. Однако генетические и молекулярные механизмы адаптации мало изучены. Команда во главе с учеными из Китайской академии наук применила нанопоровое секвенирование и Hi-C для сборки геномов яков на уровне хромосом. Ученые выявили 127 генов, которые различаются у яков и европейского крупного рогатого скота, и нашли в легочной ткани яков уникальный подтип эндотелиальных клеток. Эти клетки экспрессируют гены, которые, вероятно, и помогают якам адаптироваться к большим высотам. Дополнительно ученые составили атлас генной экспрессии в легких яка и европейского крупного рогатого с разрешением на уровне единичных клеток.

Эмбриология

5. Ученым удалось создать еще один эмбрион мыши из стволовых клеток. На этот раз, в отличие от прошлой работы, где использовалися два-три типа клеток, они ограничились одним — эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК). Обычные ЭСК стали телом эмбриона. Другую линию ЭСК исследователи модифицировали так, чтобы она была похожа на экстраэмбриональные стволовые клетки энтодермы, которые продуцируют набор сигналов, необходимых для развития эмбриона. Третью линию ЭСК модифицировали таким образом, чтобы она стала похожа на стволовые клетки трофобласта, которые тоже посылают эмбриону определенные сигналы. Этот эмбрион, как и прошлый, достиг стадии, соответствующей восьми с половиной дням после оплодотворения, то есть у него развились нервная и кишечная трубки и бьющееся сердце. Так команда смогла воссоздать три основные ткани развивающегося эмбриона мыши, используя только ЭСК. Это упростило протокол, при этом важный сигналинг между тремя тканями сохранился.

Неврология

6. По сравнению с млекопитающими такого же размера, у птиц обычно больше нейронов в головном мозге, хотя сам мозг у них меньше. Возможно, это объясняет когнитивные способности птиц. Исследователи из Германии решили выяснить, как птицы поддерживают функционирование стольких клеток мозга. С помощью позитронно-эмиссионной томографии и кинетического моделирования они оценили метаболизм глюкозы в нейронах мозга бодрствующих и наркотизированных голубей Columba livia. Оказалось, что нейроны птицы, когда она активна, потребляют в три раза меньше глюкозы, чем нейроны млекопитающих. Этот феномен нельзя списать на меньший размер нейронов, потому что разница слишком велика. Первый автор статьи Кайа фон Ойген, сотрудница Рурского университета в Бохуме, предполагает, что причиной может быть более высокая температура тела птиц или особенности расположения их мозга. Но для того, чтобы наверняка выяснить причины такой разницы в потреблении энергии, необходимы дополнительные исследования.

7. Пожилые люди или пациенты с деменцией часто не могут вспомнить имен или лиц людей, с которыми они недавно общались. Новое исследование, проведенное медицинскими школами университетов Мэриленда и Южной Каролины, объяснило, в чем причина. В экспериментах на мышах ученые определили нейронный механизм, который отвечает за социальные ассоциативные воспоминания. Именно благодаря ему мы способны запоминать лица и имена новых знакомых. Поскольку мыши не могут рассказать, помнят ли они, с кем взаимодействовали некоторые время назад, ученые придумали другой способ исследовать их память. Одна мышь ела какую-то еду, а затем встречалась с другой, которая эту еду прежде не пробовала. По замыслу ученых, второе животное должно было почувствовать запах пищи от сородича, и затем, когда ей предложат эту же пищу, вспомнить, что она съедобна и безопасна (животные часто проявляют неофобию по отношению к новой еде — это важно для выживания). Однако пожилые мыши оказались неспособны запоминать и фиксировать эту связь и избегали «новой» пищи.

В гиппокампе пожилых мышей увеличивается уровень связанного с памятью белка PDE11A4, так же происходит и у людей. Этот белок накапливался в компартментах нейронов в виде нитей. Ученые предположили, что ухудшение памяти связано именно с PDE11A4. Тогда они удалили ген этого белка у мышей и предотвратили его возрастное накопление. Пожилые модифицированные мыши смогли запоминать запах пищи от других мышей и, когда им предлагали такую же, ели ее без опаски.

Исследователи также обнаружили, что нити PDE11A4 в мозге пожилых мышей структурно отличаются от белка PDE11, который в норме присутствует в нейронах. По мнению ученых, удаление нитчатой формы PDE11A может помочь в будущем бороться с ухудшением памяти. Удалять весь белок опасно, так как он может выполнять другие значимые функции.

Диагностика

8. Исследователи из США разработали технологию жидкой биопсии для анализа циркулирующей внеклеточной ДНК (cfDNA) в плазме на наличие эпигенетических и других признаков рака. Инструмент назвали эпигенетикой плазмоизолированных нуклеосом (epigenetics of plasma-isolated nucleosomes, EPINUC). В крови cfDNA находится в виде нуклеоом, сохраняющих ее эпигенетическое состояние. EPINUC использует одномолекулярную флуоресцентную систему визуализации, которая может отображать комбинации модификаций гистонов и детектировать эпигенетические особенности, харакерные для онкозаболеваний. Новый метод может обнаружить шесть модификаций гистонов, включая триметилирование H3K4me3, ацетилирование H3K9ac и триметилирование H3K9me3, а также соотношение этих модификаций. Также он обнаруживает белковые биомаркеры, такие как карциноэмбриональный антиген (CEA) и тканевой ингибитор металлопротеиназы-1 (TIMP1), которые повышаются в крови пациентов с колоректальным раком (CRC).

Ученые проверили метод на 46 образцах плазмы, взятых у 40 человек с колоректальным раком на поздних стадиях, и на 33 образцах здоровых людей. Как и ожидалось, уровень CEA был выше у пациентов с CRC и снизился после резекции опухоли. Также у людей с CRC были более высокие уровни нуклеосом с модификациями H3K27me3, H3K9me3, H3K9ac и H3K4me1 и повышенное отношение нуклеосом с модификацией H3K9ac к нуклеосомами с H3K4me1, чем у здоровых участников. Затем ученые проанализировали 17 образцов плазмы людей с ранней стадией CRC и тоже обнаружили эпигенетические изменения, хоть и не такие явные. Дополнительно они применили метод, чтобы протестировать образцы плазмы пациентов с аденокарциномой протоков поджелудочной железы (PDAC). Их эпигенетические профили не были похожи ни на профили здоровых людей, ни на профили людей с CRC. Так, в плазме пациентов с PDAC были очень высоки уровни H3K4me3- и H3K27me3-модифицированных нуклеосом.

Технологии

9. Биофизики из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) превратили обычный флуоресцентный микроскоп в «умный». Флуоресцентная микроскопия часто используется для наблюдения за живыми клетками. Она позволяет изучать не только их структуру, но и динамику. Однако чтобы пронаблюдать и зафиксировать, например, деление клетки, необходимо смотреть в микроскоп несколько часов подряд или же делать частые снимки. В первом случае наблюдатель просто устанет, а высокая частота кадров чревата фототоксичностью и фотообесцвечиванием. Поэтому авторы нового исследования решили запрограммировать микроскоп так, чтобы он сам отслеживал изменения и фиксировал данные только в нужный момент времени. Для этого они разработали механику сбора данных на основе нейросети.

Технологию авторы применили для наблюдения и фиксации деления бактериальных клеток и митохондрий. Работает это так: программа отслеживает определенные сигналы, указывающие на то, что скоро клетка или митохондрия будет делиться. Эти сигналы управляют частотой кадров микроскопа: как только становится ясно, что скоро произойдет нужное событие, частота увеличивается. С митохондриями было сложнее, чем с клетками, так они делятся хаотично. Однако авторы обучили нейросеть искать сужения и другие изменения формы митохондрий, за которыми может последовать деление. Дополнительно к этому нейросеть способна отслеживать изменения уровня белка, которого много в точках деления. Если количество сужений и уровень белка высоки, микроскоп переключается на высокоскоростную визуализацию, чтобы сделать много снимков деления.

10. Ученые из США создали инженерные органоиды тимуса человека из индуцируемых плюрипотентных стволовых клеток (iPSC-thymus), предназначенные для вживления в организм гуманизированных мышей. По мнению ученых, такой подход может стать мощным инструментом для моделирования работы иммунной системы человека и ее исследования. Организм модельных гуманизированных мышей все же отличается от человеческого, и исследовать на них функции человеческих Т-клеток проблематично. Органоиды тимуса из стволовых клеток могут поддерживать генерацию de novo разнообразной популяции функциональных Т-клеток человека. Исследователи описали тканевую инженерию таких органоидов и вживили их в организм мышей. Они убедились, что такие мыши могут стать новой моделью для изучения опосредованного Т-клетками иммунитета человека: в их организме вырабатывались все человеческие Т-клетки. От исследований на такой модели будет легче переходить непосредственно к исследованиям на людях.

Протеомика

11. Генетические различия между видами помогают исследовать биологическую изменчивость и эволюцию, но гены — это еще не все. Ученые из США и Китая сравнили протеомы клеток кожи 11 видов млекопитающих: кроликов, крыс, обезьян, людей, овец, коров, свиней, собак, кошек, лошадей и опоссумов. По словам ученых, это важно для понимания молекулярных механизмов биоразнообразия. Один из авторов работы Яншэн Лю, возглавляющий лабораторию протеомики в Медицинской школе Йельского университета, объяснил, что генетические различия не всегда коррелируют с различиями в протеоме: «Мы обнаружили, что, особенно для определенных классов белков, отношение белка к мРНК очень низкое. Это означает, что сам по себе профиль мРНК может ввести в заблуждение».

Команда изучила вариабельность протеомных профилей между видами, так и внутри каждого вида. Оказалось, что одни белки одинаково изменчивы как у разных видов, так и у представителей одного вида, а уровни других примерно одинаковы у особей одного вида, но значительно различаются между видами. Это означает, что белки из второй группы играют более значимую роль в эволюции млекопитающих. В их число вошли, например, белки, связанные с клеточным делением и метаболизмом РНК. Кроме этого ученые сравнили системы удаления белка из клетки у разных видов. Таких систем в клетках две. Оказалось, что одна из них общая для всех видов, а в другой есть различия. Так, у одних она работает быcтрее, чем у других. Это может объяснять, почему некоторые виды более устойчивы к раку: их клетки менее восприимчивы к сигналам близлежащих раковых клеток.

Генная терапия

12. Новую генную терапию амавроза Лебера проверили на органоидах сетчатки. Амавроз Лебера (АЛ) — врожденное наследственное заболевание сетчатки, которое приводит к слепоте в раннем детстве. Из-за поломки в одном из генов, ассоциированных с заболеванием, светочувствительные клетки сетчатки атрофируются. Исследователи из Национального института глаза (Национальные институты здравоохранения, США) и других научных центров разработали генную терапию АЛ, который вызван мутациями в гене NPHP5, также называемом IQCB1. Используя органоиды сетчатки, выращенные из стволовых клеток пациентов, ученые обнаружили, что в основе патологии — серьезные дефекты первичной реснички в светочувствительных клетках. В здоровом глазу белок NPHP5 находится у основания этой реснички и помогает фильтровать белки, поступающие в клетку. В органоидах-мутантах NPHP5 было мало, а также мало было белка CEP-290, тоже связанного с АЛ. Из-за этого нарушалась структура фоторецепторов и расположение в них светочувствительных молекул белка опсина. Введение в органоиды аденоассоциированного вирусного вектора с функциональной версией NPHP5 восстановило нормальную структуру светочувствительных клеток и белка опсина в них.

Археология

13. Хирургическую ампутацию конечности провели 31 тысячу лет назад. В пещере на острове Борнео ученые обнаружили скелет Homo sapiens с ампутированной ногой. Возраст скелета, согласно расчетам, составляет 31 000 лет. У него недоставало нижней половины левой голени и стопы. По оценкам ученых, останки принадлежат человеку, умершему в возрасте 20 лет. До этого момента он прожил без части ноги примерно 6–8 лет. После смерти он был похоронен в пещере Лианг Тебо в провинции Восточный Калимантан. Следов травмы или повреждения костей животными не было обнаружено: кость не была раздроблена, она выглядела так, будто ее разрезали острым инструментом. Ученые полагают, что те, кто ампутировал ногу, должны были иметь какие-то представления об анатомии и физиологии, чтобы не допустить большую потери крови и инфицирования раны, а также обеспечить нормальное заживление. Ранее была описана ампутация у индивида, жившего 7 000 лет назад.

Терапия инфекций

14. Ученые из Астонского университета (Великобритания) разработали новое лечение инфекции, вызываемой бактерией Mycobacterium abscessus. Оно объединили широко используемый антибиотик амикацин с натуральным медом манука — оба вещества обладают антимикробной активностью. M. abscessus резистентна ко многим антибиотикам и часто поражает людей, уже страдающих заболеваниями легких. Лечить инфекцию трудно: пациенты в течении 12 или более месяцев принимают несколько антибиотиков, и не всегда терапия успешна. Концентрация амикацина, необходимая для уничтожения инфекции, обычно составляет 16 микрограммов на миллилитр раствора, который вводится внутривенно, и в десятки раз больше — в ингаляционном растворе. В новом исследовании ученые взяли образцы M. abscessus у 16 инфицированных пациентов с муковисцидозом. На этих образцах они протестировали амикацин в сочетании с медом манука, чтобы выяснить, какая дозировка требуется для уничтожения бактерий. В работе ученые использовали лабораторную модель легких, а лекарство распыляли с помощью небулайзера так, чтобы имитировать его вдыхание пациентом. Оказалось, что распыление антибиотика вместе с медом было эффективнее, чем воздействие одного только антибиотика: мед позволял снизить дозу препарата. Для достижения клиренса хватило всего 2 микрограммов амикацина на миллилитр, при этом меда требовалось совсем немного. Возможно, дело в том, что вещества из меда помогают антибиотику лучше проникать через мембрану бактерий. Это хорошая новость, поскольку снижение дозы могло бы снизить и побочные эффекты от антибиотикотерапии: тошноту, рвоту, боль в животе и токсичность для органов.

Добавить в избранное

Вам будет интересно