Муравьи-химеры и другие новости недели

Диагностика

1. Международная группа ученых показала, что информацию о метилировании ДНК можно использовать для предсказания риска развития диабета второго типа (T2D). Авторы разработали компьютерную модель, позволяющую спрогнозировать развитие T2D в течение 10 лет на основе эпигенетических индексов. Размер когорты для обучения составил 374 пациента, а тестовой когорты — 252 пациента.

При использовании эпигенетических индексов в дополнение к стандартным факторам риска (индекс массы тела, возраст и прочее) AUC повысился с 0,839 до 0,872. В ходе анализа когорты из 10 000 человек модель, учитывающая эпигенетические индексы, корректно относила к группе высокого риска на 449 человек больше, чем модель, основывающаяся только на стандартных факторах риска.

2. Международная группа ученых разработала модели старения для 10 систем человеческого организма: сердечно-сосудистой, дыхательной, опорно-двигательной, иммунной, мочеполовой, печеночной, метаболической, серого и белого веществ мозга и проводимости мозгового вещества. Фенотипы систем тела были получены для 143 423 человек, фенотипы систем мозга — для 36 901.

Исследователи обнаружили, что системы стареют с разной скоростью, а также влияют на старение других систем. Так, рост предсказанного возраста сердечно-сосудистой системы на 1 год повышал средний предсказанный возраст мозговых систем на 27 дней. Было показано, что возраст систем органов ассоциирован с рядом факторов образа жизни и окружающей среды. Также оказалось, что возраст систем имеет предсказательную силу для продолжительности жизни (AUC = 0,77) и риска преждевременной смерти (AUC = 0,86).

Респираторные заболевания

3. Ученые из Шаньдунского университета в Китае описали влияние плохого сна на риск развития астмы на фоне генетической предрасположенности. В исследование вошли 455 405 человек, данные о которых содержатся в UK Biobank. Качество сна оценивалось при помощи опросника из пяти пунктов.

В результате 17 836 людям была диагностирована астма в течение более десяти лет наблюдения. При это у людей с высоким индексом генетического риска или плохим качеством сна риск развития астмы был выше в 1,47 и 1,55 раз соответственно по сравнению с группами без этих факторов риска. В группах низкого, среднего и высокого генетического риска здоровый сон снижал риск развития астмы на 44%, 41% и 37% соответственно.

4. Японские ученые показали, что углеродные нанотрубки (CNT) способны вызывать воспаление через активацию рецептора сиаловых кислот Siglec-14.

В in silico и in vitro экспериментах было показано, что Siglec-14 способен связываться с CNT. В культуре моноцитов, экспрессирующих Siglec-14, активация рецептора приводила к воспалительному ответу, включая выделение IL-1β. На мышиной модели введение CNT в трахеи провоцировало воспалительные процессы в легочных альвеолах. Ингибирование SYK тирозинкиназы, задействованной в сигнальном пути Siglec-14, предотвращало воспалительный ответ. Авторы считают, что полученные данные могут служить базой для терапии токсичности CNT, риск которой будет только повышаться с расширением сфер применения нанотрубок.

Вирусология

5. Исследователи из клиники Шарите (Германия)  протестировали эффективность трех вакцин против SARS-CoV-2 — коммерческой мРНК-вакцины BNT162b2, вакцины Ad2-spike на основе аденовируса, несущего S-белок коронавируса, и вакцины на основе живого коронавируса, получившей название sCPD9. Эффективность препаратов проверяли на сирийских хомячках, которые получали одну или несколько (с промежутком в 21 день) доз вакцины. Животных инфицировали SARS-CoV-2 через 14 или 21 день после финальной вакцинации.

Результаты исследования показали, что администрирование живой вакцины приводит к развитию наиболее мощного гуморального и мукозального иммунитета. Хомячки, вакцинированные sCPD9, вырабатывали больше антител, у них наблюдалась более активная пролиферация Т-клеток. Также у этой группы в меньшей степени проявлялись симптомы и быстрее происходил вывод вируса из организма (в течение двух дней после инфицирования). Ученые считают, что у живые вакцины против SARS-CoV-2 обладают высоким потенциалом для клинического использования.

Молекулярная биология

6. Международная группа ученых описала структуру белка TnpB, считающегося предшественником Cas12-нуклеаз. Авторы использовали метод криогенной электронной микроскопии для изучения комплекса TnpB-reRNA бактерии Deinococcus radiodurans в свободной и ДНК-связанной форме.

Оказалось, что TnpB представляет собой минимальное функциональное ядро нуклеаз семейства Cas12. При этом Cas12f является наиболее структурно схожей с TnpB, в то время как Cas12a оказалась наиболее удаленной. Авторы считают, что структура и механизм работы TnpB не только проливает свет на эволюцию Cas12-нуклеаз, но и открывает возможности для разработки новых методов редактирования генома.

7. Американские ученые описали различия между рибосомами человека и бактерий. Авторы использовали методы FRET имаджининга и криогенной электронной микроскопии для визуализации работы человеческой рибосомы в реальном времени.

Изучение работы рибосомы показало, что, хотя общие принципы декодирования мРНК аналогичны у человека и бактерий, ряд процессов имеет значительные отличия. В частности, различаются механизмы, связанные с подбором и связыванием тРНК. Это приводит к тому, что скорость работы человеческой рибосомы на порядок меньше, чем бактериальной, но точность декодирования мРНК значительно выше.

8. Исследователи из Японии описали физические свойства хроматина. Для этого они применили комбинацию методов геномики, нуклеосомного имаджининга и компьютерного моделирования.

Работа показала, что нуклеосомы формируют плотные домены диаметром около 150 нм. В этом масштабе нуклеосомы ведут себя как жидкость, что, предположительно, облегчает доступность хроматина. В более крупных масштабах хроматин ведет себя как твердая субстанция, что может вносить вклад в поддержание стабильности генома.

Онкология

9. Международная группа ученых описала влияние загрязнения воздуха на риск развития аденокарциномы легкого. Авторы проанализировали данные из трех стран с разным уровнем загрязнения воздуха (частицами 2,5 мкм и менее — PM_2,5): Англии, Южной Кореи и Тайваня. Исследование показало значимую корреляцию между уровнем PM_2,5 в воздухе и частотой случаев EGFR-положительных аденокарцином. Частота заболеваемости раком легкого (на 100 000 человек) на 1 мкг/м³ PM_2,5 составила 0,63 для Англии, 0,71 для Южной Кореи и 1,82 для Тайваня.

Во второй части работы ученые использовали мышиную модель легочной аденокарциномы для изучения механизмов влияния загрязнения воздуха на развитие рака. Опыты показали, что содержащиеся в воздухе частицы вызывают инфильтрацию макрофагов в ткани легкого и выброс интерлейкина-1β. Это провоцирует изменение состояния эпителиальных клеток легкого и онкогенез.

10. Международная группа ученых исследовала слияние онкогенов у детей с раковыми заболеваниями. Для идентификации слияния использовался ряд методов анализа транскриптома, включая алгоритмы Arriba, STAR-Fusion и другие. В исследование вошли 5 190 пациентов.

Всего было идентифицировано 2012 случаев слияния онкогенов у 2005 пациентов, которые включали 272 пары генов. Ученые описали паттерны экспрессии для ряда пар, идентифицировали четыре пары генов, у которых происходит изменение связи промотера с геном (promoter-hijacking); выявили активные процессы альтернативного сплайсинга для шести пар. Авторы также показали критичность альтернативного сплайсинга для выживаемости раковых клеток и его потенциала как терапевтической мишени для CRISPR-систем на примере слияния TCF3-PBX1.

Микробиология

11. Американские ученые представили новый метод для массового РНК-секвенирования отдельных бактерий. Суть метода заключается в составлении библиотек из однонитевых ДНК, которые гибридизуются со специально подобранными участками мРНК бактерий. После чего клетки можно анализировать при помощи коммерческих микрофлюидных систем для баркодирования.

В рамках работы группа разработала библиотеки проб для Bacillus subtilis, Escherichia coli и Clostridium perfringens, охватывающие 2959, 4181 и 3189 генов соответственно. Применение нового метода показало, среди прочего, что выделение токсинов у C. perfringens ингибируется ацетатом, получаемым в процессе метаболизма жирных кислот.

Эмбриология

12. Китайские ученые получили эмбрионоподобные структуры (бластоиды) из эмбриональных стволовых клеток макак-крабоедов. Добиться этого удалось с помощью последовательной обработки клеток различными факторами роста.

Полученные бластоиды были схожи с нормальными бластоцистами по морфологии и транскриптому. Они также показали способность к формированию эмбриональных структур и зародышевых листков in vitro. При трансплантации бластоидов самкам макак происходила имплантация зародыша, о чем свидетельствовали изменения в гормональном фоне самки и образование гестационных мешков. Однако беременность не развивалась дальше начальных стадий. В перспективе подобные бластоиды могут служить моделью для эмбриональных исследований.

Нейробиология

13. Работники института фотонных исследований (Испания) разработали метод для искусственной генерации связей между нейронами с использованием фотонов в качестве нейротрансмиттера. В качестве «приемника» сигнала в нейронах искусственно экспрессировали канальный родопсин (channelrhodopsin) — ионный канал, активирующийся в ответ на свет. В качестве источника фотонов использовался флуоресцентный белок mTurquoise2-enhanced Nanolantern (TeNL). Для активации флуоресценции TeNL требуется высокая концентрация Ca²⁺, что характерно для активированных нейронов. Система получила название синаптической передачи с помощью фотонов (photon-assisted synaptic transmission, PhAST)

Ученые установили связь между нейронами у нематоды Caenorhabditis elegans. При этом они смогли не только восстановить связь между нейронами в сигнальном пути в отсутствие экспрессии нейротрансмиттера, но и установить связь между не связанными в норме нейронами, изменив таким образом поведенческий ответ на стимул.

Биология половых процессов

14. Международная группа ученых впервые описала явление облигаторного химеризма у животных. Исследователи изучали генетическую структуру колоний муравьев Anoplolepis gracilipes, когда обнаружили, что рабочие муравьи и матки принадлежат к совершенно разным генетическим группам. При этом у рабочих муравьев наблюдался крайне высокий (99%) уровень гетерозиготности.

Дальнейшие исследования показали, что в данном виде муравьев сосуществуют две генетических линии, которые ученые обозначили R (reproductive queen) и W (worker). При этом самцы являются облигаторно химерными — часть соматических клеток относится к R-линии, часть — к W-линии. В соматических клетках преобладают R-клетки, а в гаметах — W-линия. Самки вида несут только R-клетки. При размножении гаметы могут избежать сингамии, в таком случае они развиваются в яйце одновременно. Это приводит к развитию химерного самца. При сингамии получаются либо самки (R/R), либо рабочие (R/W). Полученные результаты описывают ранее неизвестный принцип работы репродуктивной системы. (Подробнее на PCR.NEWS.)

15. Исследователи из Упсальского университета (Швеция) изучили генетический аспект полового отбора и конкуренции между гаметами. Они проводили опыты с жуками Callosobruchus maculatus, симулируя эволюционные процессы на фоне полового отбора.

Эксперименты показали, что в линиях жуков, подверженных сильному половому отбору, взаимодействия между самцами перед спариванием приводят к снижению приспособленности и здоровья потомства. Оказалось, что присутствие самцов-конкурентов приводит к изменению экспрессии 18 генов, ассоциированных с успехом оплодотворения, но также снижающих приспособленность потомства за счет уменьшения приоритета репарации повреждений ДНК.