Интроны — «переключатели» стволовости и другие новости недели

Эволюция

1. Международный консорциум Bird 10K Genomes представил новое филогенетическое дерево птиц. Чтобы его составить, ученые использовали данные о полных геномах 363 видов, которые относятся к 218 семействам (92% всех семейств птиц). Всего исследователи проанализировали более 100 миллиардов нуклеотидов, воспользовавшись вычислительными мощностями суперкомпьютера Expanse в Калифорнийском университете в Сан-Диего (США). Дерево подтвердило, что разнообразие клады Neoaves, которая включает почти всех современных птиц, быстро возросло около 66 миллионов лет назад — на границе мелового и палеогенового периодов. Эта граница ассоциирована с мел-палеогеновым вымиранием, в том числе нептичьих динозавров.

В новом филогенетическом дереве клада Neoaves разбита на еще четыре: Mirandornithes (фламинго), Columbaves (голуби), Telluraves (совы, ястребы, соколы, воробьи, попугаи) и Elementaves. Последняя клада в текущем исследовании введена впервые и включает в себя около 14% всех видов современных птиц, в том числе колибри, куликов и гоацинов. Такое название клада получила из-за того, что входящие в нее птицы покорили разные элементы, то есть экологические ниши, — воздух, воду и землю.

Генетика

2. Ученые из Нидерландов проанализировали экзомы 38 043 левшей и 313 271 правши из UK Biobank. В предыдущих GWAS в основном искали распространенные генетические варианты, связанные с леворукостью, причем такие варианты находились в некодирующих участках генома и влияли на экспрессию генов. В новом исследовании ученые сосредоточились на более редких генетических вариантах, которые влияют на структуру белков. В целом такие варианты были ответственны всего за 0,91% наследуемости леворукости. Оказалось, что у левшей почти в три раза чаще встречаются редкие миссенс-варианты в гене бета-тубулина TUBB4B, что может указывать на роль микротрубочек в эмбриональном развитии мозга. Также с леворукостью оказались ассоциированы гены DSCAM и FOXP1, которые связаны с аутизмом и шизофренией. Среди людей с нарушениями развития ЦНС в принципе чаще встречаются левши.

Нейробиология

3. Португальские ученые выяснили роль лазящих волокон и клеток Пуркинье мозжечка в процессе ассоциативного обучения на мышах. Лазящие волокна способны стимулировать клетки Пуркинье, способствуя обучению. Ученые ставили эксперименты по обуславливанию задержки моргания у мышей, бегающих по беговой дорожке. Обычно в таких экспериментах мыши получают безусловный сигнал — дуновение воздуха в глаз, либо условный сигнал — вспышку света. В исследовании ученые оптогенетически стимулировали либо лазящие волокна, либо клетки Пуркинье и показали, что в обоих случаях оптогенетическая стимуляция достаточна для обучения и заменяет безусловный сигнал в таких экспериментах. А вот оптогенетическое ингибирование лазящих волокон нарушало процесс обучения, причем даже просто экспрессия каналородопсина в них без какой-либо оптической стимуляции негативно влияла на работу лазящих волокон. В этом случае клетки Пуркинье оставались функционально активными, но иначе взаимодействовали с мозгом, из-за чего ученые сравнили эти нейроны с зомби. Так исследователи доказали, что лазящие волокна необходимы и достаточны для ассоциативного обучения мышей.

Подробнее — на PCR.NEWS.

4. Испанские исследователи показали, что для переключения между стволовостью и дифференцировкой в нейрональных стволовых клетках (НСК) важное значение имеет задержка интронов (intron detention). У взрослых в мозге сохраняются нейрогенные ниши, которые являются источниками новых нейронов. Одна из них называется субвентрикулярной зоной, которая находится на внутренней поверхности боковых желудочков мозга. У НСК, которые находятся в этой зоне, парадоксальным образом транскрибируются и гены, которые важны для поддержания стволовости, и гены, нужные для дифференцировки в нейроны. Ученые показали механизм, который лежит в основе этого явления, на примере гена Scratch1, который кодирует транскрипционный фактор, необходимый для дифференцировки НСК в нейроны. После транскрипции мРНК Scratch1 накапливается в ядрах НСК из-за того, что она не проходит сплайсинг, соответственно, в ней остаются интроны. При этом в нейробластах — на следующей стадии дифференцировки НСК — Scratch1 находится в цитоплазме. Ингибирование экспрессии Scratch1 с помощью малых РНК, образующих шпильки, мешало дифференцировке НСК. Ученые показали, что транскрипция Scratch1 происходит только в НСК, но не в эмбриональных стволовых клетках и не в индуцированных стволовых клетках. А трансляция мРНК Scratch1 начинается только после поступления сигнала к дифференцировке НСК, после которого проходит сплайсинг мРНК и ее экспорт в цитоплазму.

В ответ на сигнал к дифференцировке мРНК Scratch1 проходит через эпитранскриптомную модификацию m⁶A (N⁶-метиладенозин). Это метилирование служит меткой для тех мРНК, которые были задержаны в ядре и теперь должны пройти сплайсинг. Биоинформатически ученые показали, что задержка интронов — это общий механизм, который регулирует трансляцию транскриптов генов, ассоциированных с дифференцировкой НСК, а модификация m⁶A служит «переключателем» между стволовостью и дифференцировкой.

Нейродегенеративные заболевания

5. Американские ученые протестировали пептид, который моделирует прионоподобное распространение тау-белка при 4R-таупатиях, в том числе болезни Альцгеймера, лобно-височной деменции и т.д. Этот пептид состоит из 19 аминокислот и включает в себя фрагмент тау-белка в районе соединения повторов R2/R3, характерную мутацию P301L, а также мотив PHF6, который важен для формирования агрегатов. Этот пептид может образовывать фибриллы и индуцировать агрегирование 4R, но не 3R тау-белка в клетках. Данный процесс ученые объяснили с помощью молекулярного моделирования и выявили единственную мутацию S305K в тау-белке, при которой он становится устойчивым к формированию агрегатов из-за нарушения взаимодействий с токсичными олигомерами. Также исследователи показали на клетках, что процесс агрегирования тау-белка можно нарушить с помощью нанотела Z70 против мотива PHF6. Следовательно, этот мотив может стать новой терапевтической мишенью для препятствования прионоподобного распространения агрегатов тау-белка в 4R-таупатиях.

6. Американские ученые предложили активировать микроглию антителами, чтобы она более эффективно удаляла амилоидные бляшки при болезни Альцгеймера. В работе они использовали антитело к рецептору LILRB4, который экспрессируется на микроглии, связывается с белком ApoE и ингибирует действие иммунных клеток мозга. Антитело ZM3.1 к рецептору LILRB4 успешно проникало в мозг мышей, благодаря его действию микроглия активировалась и эффективно удаляла амилоидные бляшки. В результате у мышей снижался уровень нейродегенерации и улучшались некоторые симптомы болезни Альцгеймера, в частности, связанные с рискованным поведением. Тем не менее, этот терапевтический подход не восстанавливал пространственную память мышей. Это может быть связано с тем, что микроглия удаляла только амилоидные бляшки, но не могла ничего поделать с другими проявлениями болезни Альцгеймера.

Подробнее — на PCR.NEWS. 

Молекулярная биология

7. Американские ученые установили, что сигнальные центры — неделящиеся клетки, которые вырабатывают морфогены, — в эмбриогенезе формируются под действием механического давления из-за активного деления окружающих клеток. Это показали на эмалевом узле — сигнальном центре для формирования резцов у мышей. Во время эмбрионального развития клетки активно делятся и начинают оказывать друг на друга механическое давление, которое ученые смогли зарегистрировать с помощью микрокапель масла. В результате под действием давления и формировался эмалевый узел, а при применении препаратов, подавляющих пролиферацию клеток, эмалевый узел не образовывался. Однако даже в отсутствие пролиферации клеток его формирование можно было стимулировать, приложив внешнее давление.

В этом процессе важную роль играет белок αE-катенин, образующий контакты между клетками и способствующий сопротивлению давлению, а также механосенсор YAP. Что интересно, в клетках, которые сопротивлялись давлению, YAP находился в ядре, а в клетках самого эмалевого узла YAP локализовался в цитоплазме. Исследователи считают, что дальнейшее изучение механизмов формирования сигнальных центров в эмбриогенезе поможет лучше понять, что является причиной врожденных пороков развития органов.

8. Международный коллектив ученых выяснил, что для проникновения в эритроциты малярийный плазмодий Plasmodium falciparum, вызывающий самую опасную форму болезни, использует белок PfCyRPA, распознающий сиаловые кислоты. Ученые подтвердили, что PfCyRPA — это лектин, который специфически распознает N-ацетилнейраминовую кислоту, являющуюся единственной сиаловой кислотой человека. Сродство PfCyRPA к ней в 50 раз выше, чем к N-гликолилнейраминовой кислоте, которая встречается у большинства млекопитающих, но не у человека. Это указывает на то, что P. falciparum адаптировался именно к человеку.

С помощью молекулярного моделирования ученые предсказали сайты лектиновой активности PfCyRPA. Они показали, что трансгенные плазмодии, у которых в белок PfCyRPA была введена мутация E148A, не могли проникать в эритроциты из-за нарушения лектиновой активности белка. Подавить ее ученые также смогли за счет малых молекул и антител, показав, что лектиновая активность PfCyRPA может стать мишенью для новых лекарств и для иммунотерапии.

Антибиотики

9. Группа ученых из Швеции и Латвии представила новый класс антибиотиков для борьбы с грамотрицательными бактериями. Их мишень — белок LpxH, необходимый для синтеза липополисахаридов. В первичном фенотипическом скрининге на мутантной кишечной палочке с нарушениями в аппарате для выкачивания лекарств ученые нашли малую молекулу JEDI-852 — ингибитор LpxH. Она успешно подавляла рост мутантной кишечной палочки и имела низкую токсичность для человека. Ранее AstraZeneca также разрабатывала ингибитор LpxH — AZ1, однако он тоже работал только против бактерий, которые не были способны выкачивать лекарства. В итоге ученые разработали новый ингибитор LpxH, взяв за основу общие структурные элементы JEDI-852 и AZ1, — JEDI-1444. Он проявлял активность против грамотрицательных бактерий дикого типа. Исследователи получили кристаллические структуры JEDI-1444 в комплексе с LpxH E. coli и Klebsiella pneumoniae. В процессе оптимизации свойств ингибитора, таких как растворимость, метаболическая стабильность и способность связываться с белками сыворотки крови, ученые выявили еще несколько ингибиторов того же класса — EBL-3647 и EBL-3599. По сравнению с JEDI-1444 они оказались в 5000 раз более растворимыми и в 25 раз более стабильными в плазме крови, в микросомах печени человека и мыши.

Оба соединения показали хорошую активность in vitro, где их минимальная ингибирующая концентрация MIC90 составила 4 мг/л против E. coli и 8 мг/л против K. pneumoniae. Оба ингибитора сохраняли антимикробную активность даже против штаммов, несущих гены резистентности: бета-лактамазу или карбапенемазу. Вещества также проверили in vivo на мышах, которым вводили препараты внутривенно (50 мг/кг) или подкожно (100 мг/кг). Препараты не вызвали никаких побочных эффектов и оказались эффективны против инфекций кровотока E. coli и K. pneumoniae.

Кишечник

10. Американские ученые проанализировали метагеном и метаболом образцов стула 1429 участников масштабного исследования Framingham Heart Study. Они обнаружили больше 16 тысяч ассоциаций между составом микробиома и метаболома и параметрами сердечно-сосудистого здоровья. Наиболее сильная ассоциация указывала на то, что у людей с низким уровнем холестерина в микробиоте кишечника присутствовали бактерии рода Oscillibacter. С помощью масс-спектрометрии ученые определили метаболиты холестерина, вырабатываемые этими бактериями, а с помощью машинного обучения выявили ферменты, осуществляющие такие превращения. Как оказалось, бактерии рода Oscillibacter способны гликозилировать и дегидрировать холестерин, а получившиеся метаболиты разлагаются другими бактериями кишечной микробиоты.

С низким уровнем холестерина также было ассоциировано присутствие Eubacterium coprostanoligenes в кишечной микробиоте. Она тоже метаболизирует холестерин. Ученые показали, что E. coprostanoligenes оказывает синергетический эффект на уровень холестерина вместе с бактериями рода Oscillibacter. Это подтверждает, что взаимодействие бактерий внутри микробных сообществ имеет прямое влияние на здоровье человека.

11. Китайские ученые  секвенировали 16S рРНК из образцов стула 94 пациентов с колоректальным раком, из которых у 24 были мутации в протоонкогене KRAS. В результате они выявили 26 видов бактерий кишечной микробиоты, которые были дифференциально представлены у пациентов с мутацией в этом протоонкогене и без нее. Так, бактерии родов Fusobacterium, Clostridium и Shewanella встречались среди кишечной микробиоты пациентов с мутацией KRAS, а бактерии родов Bifidobacterium и Akkermansia — среди микробиоты пациентов без нее. Проанализировав транскриптомные данные девяти пациентов с колоректальным раком, ученые также показали, что присутствие в кишечной микробиоте бифидобактерий ассоциировано с активностью тучных клеток и с повышенной экспрессией хемокинового рецептора CX3CR1, который является защитным биомаркером в колоректальном раке. Следовательно, бифидобактерии, по-видимому, препятствуют прогрессии рака кишечника.

Ученые также разработали модель машинного обучения на основе алгоритма случайного леса, которая может предсказывать статус KRAS у пациентов с колоректальным раком по составу их кишечной микробиоты. Для ее обучения и валидации использовали ту же когорту из 94 пациентов, которую разбили в соотношении 7:3. Показатель AUC для тренировочной выборки составил 0,963, а для валидационной — 0,819. Ученые считают, что выявленные ими биомаркеры кишечной микробиоты в будущем смогут быть использованы для неинвазивного определения статуса KRAS у пациентов с колоректальным раком, однако модель машинного обучения еще предстоит доработать на более крупных когортах.

12. Американские исследователи картировали окружение клеток здорового и воспаленного кишечника мышей. Они использовали мышиную модель колита. С помощью мультиплексной флюоресцентной in situ гибридизации (MERFISH) ученые определили экспрессию 940 генов в 1,35 миллионе клеток, отслеживая ее от начала развития колита до выздоровления животного. В результате исследователи идентифицировали различные популяции клеток, определили их пространственное расположение, поляризацию и участие в воспалительном процессе. Оказалось, что особую роль в развитии колита играют ассоциированные с воспалением фибробласты, которые способны ремоделировать внеклеточный матрикс, привлекать иммунные клетки и вырабатывать воспалительные цитокины. Похожие процессы происходят при язвенном колите у людей, поэтому представленная учеными методика может использоваться для исследования ремоделирования кишечника при воспалении.

Генная терапия

13. Американские ученые создали модель поликистоза почек на органоидах, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК). С помощью CRISPR-редактирования оснований они внесли в них четыре распространенные нонсенс-мутации в генах PKD1 и 2, которые приводят к потере функции белков полицистина 1 и 2. Они показали, что кисты развивались в органоидах, гомозиготных по мутациям, в то время как в гетерозиготах развития заболевания не происходило. Это наблюдение позволило подтвердить теорию о том, что для развития поликистоза почек недостаточно только нонсенс-мутаций в генах полицистинов, которые обычно наследуются как гетерозиготы, и, скорее всего, оказывают влияние пока неизвестные дополнительные факторы.

Ученые показали, что для лечения поликистоза почек в таком случае можно использовать генную терапию, корректируя нонсенс-мутацию, используя белки-редакторы аденина. Они также предложили фармакологический подход к лечению поликистоза почек — применение эукариотических рибосомальных селективных гликозидов (ERSG). Такие синтетические аминогликозиды регулируют работу рибосом и позволяют им «игнорировать» нонсенс-мутации во время трансляции, благодаря чему рибосомы продолжают синтез белка, несмотря на мутации. В исследовании два разных гликозида смогли не только предотвратить развитие кист в органоидах почек, но и ограничили рост уже сформированных кист.

14. Недостаточность аргининосукцинат-лиазы — это рецессивное метаболическое заболевание. Его вызывают мутации гена ASL, кодирующего аргининосукцинат-лиазу, — фермент, участвующий в синтезе мочевины. Для этого заболевания характерны высокие уровни аргининосукцината и гипераммониемия — накопление токсичного для организма аммиака. Часто встречаются неврологические нарушения и преждевременная гибель. Лечение заболевания отсутствует, больным рекомендуется особая диета и иногда требуется пересадка печени. Финские ученые представили генную терапию недостаточности аргининосукцинат-лиазы с использованием редакторов аденина (ABE). Для моделирования болезни ученые использовали иПСК, которые были получены после биопсии пациентов с недостаточностью аргининосукцинат-лиазы. У них была гомозиготная мутация c.1153C>T, характерная для финской популяции. С помощью ABE ученые отредактировали этот вариант, заменив его на нормальный, и дифференцировали иПСК в гепатоциты. В этих клетках уровень аргининосукцината понизился в 1000 раз по сравнению с неотредактированными клетками, что говорит о восстановлении функции аргининосукцинат-лиазы.

Исследователи также разработали платформу для доставки этой генной терапии in vivo. Они протестировали три одобренных FDA состава липидных наночастиц, в которых доставляли мРНК ABE и гидРНК. Работу системы доставки проверяли на человеческих фибробластах, при этом наблюдали понижение уровня аргининосукцината до нормального. В то же время ученые не выявили ни клеточной токсичности, ни нецелевых (off-target) эффектов. В дальнейшем ученые планируют проверить эффективность такой генной терапии на основе редактора аденина на животных.