Обзор научной периодики за 17–24 декабря

События года

1. В последние дни года научные журналы публикует списки наиболее значимых, по их мнению, открытий за год. Первым из крупных изданий отметился Science. Научным прорывом года названа технология анализа развития эмбриона с разрешением до одной клетки. Исследователи секвенировали полный набор мРНК в единичных клетках, полученных из эмбрионов, а затем реконструировали расположение этих клеток, пользуясь как компьютерными методами, так и физическим мечением красителями. Опыты начали с относительно простого эмбриона из 8000 клеток, продолжили на вдесятеро более сложном эмбрионе, а затем и на сложнейшей по составу мозговой ткани позвоночных. Наконец, анализу подвергли клетки, в ДНК которых были баркоды или гены-репортеры. Таким образом удалось изучить развитие нескольких типов тканей эмбриона вплоть до взрослого организма.
2. Столкновение мнений вызвала методология, позволившая раскрыть преступления более чем сорокалетней давности. Серийные убийства и изнасилования в Калифорнии оставили образцы ДНК и громкие имена, которые журналисты придумывали преступнику, вроде «Ночного Сталкера» или «Убийцы из Золотого штата», но поймать его так и не удавалось. До тех пор, пока не появились современные методы анализа ДНК и «народные» базы данных, в которых желающие размещают результаты анализа своих геномов, чтобы найти родственников. Одной из таких баз, GEDmatch, воспользовалась следственная группа, разместив там генетическую информацию неизвестного преступника под псевдонимом. Родственники нашлись, а через родственников удалось выйти и на него. Но это было бы невозможным, если бы не помощь специалиста по генетической генеалогии Барбары Рэй-Вентер и ее коллег, которые построили по данным из базы родословное дерево — это нетривиальная задача. «Убийцу из Золотого штата» арестовали, еще более 20 подобных дел удалось раскрыть за короткое время. Барбара Рэй-Вентер стала исследователем года по версии Nature, но этические вопросы остаются…
3. Споры на тему этики вызвала и работа из Китая, также включенная Nature в список исследований года, хотя скорее со знаком минус, — заявление доктора Хэ Цзянькуя о рождении генномодифицированных близнецов. Технология CRISPR-Cas, несомненно, будет все активнее применяться в медицине, однако тем, кто мечтает отказаться от длительных проверок метода на безопасность, стоит вспомнить хотя бы историю с талидомидом.
4. При этом CRISPR-Cas дает огромные возможности исследователям. Широко известный транспозонный мутагенез высокой плотности — совсем недавно созданный и очень мощный инструмент изучения патогенных микроорганизмов и многого другого. Но в 2018 году разработан еще более эффективный метод на основе CRISPR-интерференции. С большой вероятностью эта работа значительно ускорит исследования патогенеза многих бактериальных инфекций, в первую очередь туберкулеза.
5. Достойны упоминания несколько интересных открытий и разработок, пока не вошедшие в топ-листы престижных журналов. Например, обнаружениенаследования митохондриальной ДНК по отцовской линии. Ретроспективный анализ показал, что исследователи и ранее сталкивались с подобным феноменом, но считали его артефактом.
6. Конечно, нельзя не упомянуть о работах, связанных с тематикой исследований нобелевских лауреатов по химии и медицине. «Конкуренты» сэра Грега Винтера в области фагового дисплея из Института Скриппса почти 30 лет назад начали изучение антител к ВИЧ. И только теперь достигли успеха — выявили уязвимые точки в бесконечно вариабельном поверхностном антигене вируса и впервые создали эффективный прототип вакцины. Результаты исследования антитела Монализумаб опубликованы в журнале Cell. Это антитело действует не на «нобелевскую» систему PD-1, а на рецептор NKG2, таким образом противоопухолевую активность удается деблокировать не только у Т-киллеров, но и — впервые — у NK-клеток, что, несомненно, следует считать прорывом.

Онкология

7. Теперь перейдем от новостей года к новостям недели, также весьма любопытным. Возвращаясь к блокировке PD-1, чья популярность благодаря Нобелевской премии еще возрастет, отметим работу, опубликованную в журнале Immunity. Механизм противоопухолевого ответа при клеточной терапии на фоне ингибиторов PD-1 изучен далеко не полностью. Оказалось, что эффективный иммунный ответ требует присутствия в опухоли не только Т-лимфоцитов, но и дендритных клеток. Последние активировались под действием гамма-интерферона, секретируемого Т-клетками, и в свою очередь стимулировали противоопухолевую активность Т-лимфоцитов секрецией IL-12. Таким образом, после снятия блокировки PD-1 Т-клетки активируются не напрямую, а с участием дендритных клеток. Неудивительно, что в этой сложной игре обнаружен еще один игрок — хорошо известный NF-κB. Здесь этот транскрипционный фактор участвует в нестандартном для себя сигнальном пути и в размножении дендритных клеток, продуцирующих IL-12. Иммунотерапия на основе блокировки ингибиторов контрольных точек понемногу «обрастает подробностями», что должно повысить эффективности этого метода борьбы с опухолями.
8. Один из важных аспектов терапии опухолей Т-клетками — борьба с действием гиперактивной иммунной системы на здоровые органы и ткани пациента. До сих пор побочную аутоиммунную реакцию при клеточной терапии рассматривали как неизбежное зло, прямые способы борьбы с которым вряд ли удастся найти. Однако с этим не согласились канадские иммунологи, опубликовавшие исследование в JCI. Используя различные модели клеточной терапии опухолей у нокаутных мышей, они показали, что аутоиммунную и противоопухолевую составляющие иммунного ответа можно разделить! Как только исследователи заблокировали сигналы, проходящие через рецептор интерферонов альфа и бета, комбинированная клеточная и вирусная терапия модельной опухоли перестала вызывать аутоиммунную реакцию организма, но по-прежнему эффективно воздействовала на новообразование. И хотя процессы, наблюдаемые в мышиных моделях, не всегда можно перенести на людей, налицо серьезный шаг вперед в борьбе с самым серьезным побочным эффектом иммунотерапии.
9. В копилку новых знаний об аутоиммунных реакциях можно добавить интересное исследование, также опубликованное в Immunity. Его авторы разбирались в механизме действия транскрипционного фактора Ets1, одного из ключевых факторов блокировки аутоиммунных реакций. Оказалось, что нарушения в работе Ets1 приводят к размножению фолликулярных Т-хелперов (Tfh). Информация об этом типе Т-лимфоцитов получена относительно недавно, их роль в иммунной системе до конца не изучена. Исследователи пришли к выводу, что патологическое размножение Tfh и Tfh2 клеток в отсутствие регуляции Ets1 является главной причиной распространения аутоантител при волчанке и других подобных аутоиммунных синдромах. Детали сигнальных механизмов, способных заблокировать активность этих клеток, еще предстоит изучить.
10. В борьбе с солидными опухолями сложно использовать клеточную терапию, поскольку существенная часть опухоли может быть недоступна для иммунокомпетентных клеток. Поэтому для них разрабатываются альтернативные терапевтические стратегии, в частности, использование моноклональных антител. Механизм антитело-зависимой цитотоксичности изучали на модели меланомы и обнаружили сложную сеть взаимодействий терапевтических антител и клеток иммунной системы. Интересно, что передачу «токсического» сигнала опосредовали макрофаги, а вот NK-клетки, которые теоретически должны были участвовать в качестве конечного эффектора сигнала, действовали по какому-то иному механизму. Эффективность действия антител напрямую зависела от концентрации рецепторов FcγR на поверхности макрофагов, ее повышала также активация самих макрофагов лигандами толл-подобных рецепторов и IL-2. Налицо сложное взаимодействие ветвей иммунной системы.
11. Публикация в PNAS посвящена не терапии, а онкогенным факторам: авторы представляют доказательства онкогенности микоплазм. Они использовали мышиную модель с повышенной «чувствительностью» к онкогенным факторам. У таких мышей спонтанно развивается Т-клеточная лимфома, и при инфекции микоплазмой это происходит быстрее. Центральную роль в онкогенезе играл бактериальный шаперон DnaK, он нарушает механизмы репарации ДНК и блокировал активность антионкогенного p53. Как отмечают исследователи, накапливается все больше данных о том, что многие патогенные бактерии, начиная с Helicobacter pylori, вовлечены в канцерогенез. Это важная и все еще малоизученная область онкологии.

Туберкулез

12. Сравнительно недавно разработанный антибиотик линезолид эффективнее этамбутола при терапии туберкулеза и может существенно сократить продолжительность лечения, сообщает Lancet Infectious Diseases.
13. Не прекращается и поиск новых мишеней для антибиотикотерапии туберкулеза. Возбудитель этого заболевания способен выживать продолжительное время в условиях гипоксии. В особенности это характерно для латентной инфекции, когда патоген впадает в «спячку» и становится практически неуязвимым для антибиотиков, воздействующих, как правило, на активные метаболические процессы. Авторы работы, опубликованной в Сell Chemical Biology, рассказывают об идентификации двух ключевых ферментов жизнеобеспечения Mycobacterium tuberculosis в условиях латентного состояния и гипоксии. В таких условиях лизилацетилтрансфераза переключает метаболизм трикарбоновых кислот (цикл Кребса) с окислительного режима на восстановительный. Для осуществления нового цикла реакций требуется работа второго фермента — малатдегидрогеназы (MDH), которая поддерживает окислительно-восстановительный баланс NAD+/NADH. Ингибирование MDH вызывает быструю гибель патогена как в гипоксическом состоянии in vitro, так и в легких мышей. Предполагается, что вещества, направленно ингибирующие MDH, будут весьма эффективны против микобактерий, в том числе и находящихся в латентном состоянии.

Трансгенные организмы

14. Лучше предотвратить онкологические заболевания, чем лечить. Известный всем любителям комнатных растений эпипремниум (Epipremnum aureum) заставили перерабатывать пары бензола и хлороформа. Растения, трансгенные по цитохрому p450 2E1, удаляют из воздуха эти канцерогенные вещества, открывая весьма перспективное направление инженерии растений в интересах охраны окружающей среды.

Молекулярная и клеточная биология бактерий

15. Исследователи чувства кворума бактерий (Quorum sensing) обнаружили бактериофаг Vibrio cholera, в который встроен механизм запуска литического цикла в зависимости от концентрации низкомолекулярного сигнала quorum sensing. Иначе говоря, лизогенный бактериофаг «чувствует», что бактерий вокруг стало достаточно для размножения, и запускает литический цикл. Авторы работы, опубликованной в Cell, сконструировали молекулярный переключатель, который может запускать литический цикл у различных бактериофагов. Возможно, это путь к контролируемой фаготерапии.
16. Одним из принципиально новых способов конструирования химического разнообразия — создание «ортогональных» рибосом. Такие рибосомы не распознают синтетический аппарат клетки, а оперируют специальным образом модифицированными РНК, которые обычные рибосомы в качестве матриц не используют. В работе, опубликованной в Nature, рассказывается об искусственной эволюции рибосомных субъединиц, связанных между собой «скрепкой» из молекулы РНК. Результатом такой эволюции стала ортогональная рибосома, которая обладала не только высокой трансляционной активностью, но и большим сродством субъединиц друг к другу, чем к субъединицам обычных рибосом. Таким образом, удалось «развести по углам ринга» природную и искусственную систему белкового синтеза в клетке и получить с помощью последней полипролин. Этот полимер в обычных условиях продуцируется в клетке очень плохо и требует присутствия в высоких концентрациях вспомогательного фактора элонгации Р. В дальнейшем исследователи планируют «научить» ортогональные рибосомы продуцировать полимеры полностью небелковой природы.
17. Открытая относительно недавно молекула c-di-GMP, химическое чудовище Франкенштейна из двух молекул циклического гуанозинмонофосфата, играет значительную роль в приспособляемости бактерий к окружающей среде. В том числе и к способности атаковать организм хозяина. Исследователи из Швейцарии, которые давно занимаются этим молекулярным монстром, показали, что сигналы, передаваемые c-di-GMP, необходимы для колонизации слизистых оболочек синегнойной палочкой. При касании поверхности слизистой продукция мессенджера возрастает, что приводит к активации адгезии и инфекции. При этом c-di-GMP асимметрично распределяется по клетке, так что при делении материнская клетка не получает сигнала к адгезии и остается планктонной, перемещаясь к другим мишеням, в то время как дочерняя осуществляет инфекцию. Исследование, опубликованное в Cell Host & Microbe, еще раз напоминает о многообразии и сложности механизмов бактериальной инфекции.

Мозг

18. В геноме современных европейцев (в отличие от генома африканцев, например) содержится довольно много участков, унаследованных от неандертальцев. Исследователи совместили палеоантропологические данные, данные по экспрессии генов и данные компьютерной томографии внутренней поверхности черепа современных людей. Несмотря на то, что форма черепа современного человека в среднем весьма далека от H. neanderthalensis, она существенно отличается у разных индивидов. В результате удалось обнаружить связь между изменениями в форме черепа и вариациями в двух генах, UBR4 и PHLPP1, в тех случаях, когда их аллели были унаследованы от наших «кузенов»: эти аллели делают череп более вытянутым. В работе выдвинут ряд гипотез о связи изменений в работе этих генов со структурой черепной коробки и предложены эксперименты, призванные протестировать эти предположения.
19. Возвращаясь в современность, к заболеваниям и их диагностике, стоит отметить работусотрудников NIH, в которой представлен новый тест, выявляющий болезнь Альцгеймера. Тест базируется на способности рекомбинантных фрагментов белка тау формировать нерастворимые фибриллы в присутствии агрегатов этого белка. Метод позволяет детектировать агрегаты в количествах менее 20 фемтограмм и, по мнению исследователей, ранее создавших аналогичные диагностикумы для заболевания Крейтцфельдта — Якоба и хронической травматической энцефалопатии, значительно понизит порог диагностики заболевания. А учитывая, что в настоящее время активно разрабатываются технологии замедления агрегации тау, новый тест повысит эффективность терапии.
20. Агрегаты тау наблюдаются и при другом заболевании, болезни Паркинсона. Однако в этом случае они сосуществуют с бляшками, сформированными другим белком, альфа-синуклеином. Укороченный фрагмент «здорового» синуклеина, обозначаемый как pα-syn*, подобно тау, агрегирует, гиперфосфорилируется под действием различных киназ и разрушает митохондриальные мембраны. В этих областях агрегаты синуклеина ассоциированы с аналогичными по размеру микроагрегатами гиперфосфорилированного тау. Совместное действие агрегатов приводит к гибели митохондрий и энергетическому голоданию клеток. Основную роль в фосфорилировании играют активированные MAPK. Раскрытый механизм патогенеза болезни Паркинсона должен помочь созданию адекватных стратегий терапии.