Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 13–19 сентября

Древние геномы

1. У доисторических людей не были распространены близкородственные скрещивания. Авторы статьи, опубликованной в Nature Communications, исследовали геномы древних людей, живших на протяжении последних 45 тысяч лет, на предмет наличия в них гомозиготных последовательностей — следов родительского родства. Участки гомозиготности (ROH) — это участки, идентичные в двух копиях ДНК, унаследованных от отца и от матери. Чем сильнее родственная связь между родителями, тем длиннее такие последовательности и тем чаще они встречаются. ДНК древних людей часто отсеквенирована с низким покрытием и значительным количеством ошибок, что затрудняет различение гомозиготных и гетерозиготных сайтов, поэтому авторы новой работы предложили оригинальный подход, использующий информацию о гаплотипах из современной референсной панели.

В результате анализа 1785 древних геномов только для 54 человек (около 3%) обнаружили признаки того, что их родители были двоюродными братом и сестрой. Даже если полученная информация неполна, детей от близкородственных союзов было существенно менее 10%, делают вывод авторы. Они также установили, что количество близкородственных связей снизилось около 5000 лет назад, вероятно, из-за увеличения численности населения с переходом к сельскохозяйственному образу жизни.

2. Молочное животноводство поспособствовало стремительному распространению популяции людей на новые территории в начале бронзового века, установили исследователи из США, Европы и России. Согласно археологическим и генетическим данным около 5000 лет назад люди стали быстро расселяться из Причерноморско-Каспийской степи на Кавказе до Горного Алтая и Монголии. Авторы новой работы провели анализ зубного камня 56 скелетов людей, живших в степях Западной Евразии между 4600 и 1700 годами до н.э., и установили, что до 3300 г. до н.э. в зубном налете почти не было молочных белков. Но образцы, взятые с зубов людей, которые жили после 3300 г. до н.э. содержали множество белков коровьего, овечьего и козьего молока. А в двух образцах были обнаружены белки кобыльего молока. Эти изменения в рационе совпали с миграциями бронзового века. Ведущий автор работы говорит, что есть большая разница между «мы едим этих животных иногда» и «мы доим их все время». Именно потребление молока наряду с использованием других продуктов животного происхождения и верховой ездой — то есть превращение охотников-собирателей в скотоводов, — по мнению авторов статьи, позволило людям стать более мобильными и расселиться шире.

Онкология

3. Резидентные CD8+ Т-клетки в лимфатических узлах защищают от меланомы. На мышиной модели витилиго американские исследователи обнаружили в лимфоузлах, дренирующих кожу, популяцию долгоживущих Т-клеток памяти. Эти клетки никогда не выходят в кровь, вместо этого сражаясь с метастазами меланомы в лимфоузлах. Для рака такие клетки выявлены впервые. Секвенирование генома помогло определить специфический профиль транскрипции резидентных Т-лимфоцитов лимфоузлов, который отличается как от циркулирующих Т-клеток, так и от Т-клеток памяти в коже, которые тоже защищают организм от меланомы. Авторы говорят, что эти Т-клетки памяти играют важную роль в защите от метастазов меланомы, и предполагают, что помещение их и в другие ткани может предотвратить метастазирование.

Фитогормоны

4. Нашли способ быстро размножать кокосовые пальмы. Дело в том, что боковые побеги у проростков кокосовой пальмы не образуются, она размножается исключительно семенами, и этот процесс очень медленный. Вместе с тем кокосовые плантации стареют, страдают от изменений климата, вредителей и болезней, а спрос на кокосы очень высок. Авторы статьи, опубликованной в Scientific Reports, представили новый метод микроразмножения, основанный на формировании пазушных побегов у зародышей, выращенных in vitro. В апикальной меристеме (зоне роста) главного побега продуцируются гормоны ауксины, которые подавляют рост боковых побегов. Цитокинины — антагонисты ауксинов — образуются в корнях и, напротив, стимулируют рост дополнительных побегов. Исследователи культивировали зародыши кокосовой пальмы на среде, содержащей тидиазурон (TDZ) — цитокининоподобный регулятор роста. Меристемы зародышей активно разрастались, и затем из них вырастали проростки, у которых образовывалось множество пазушных побегов. Эти побеги можно размножить в больших масштабах, получить тысячи клонов одного растения и затем укоренить. Кроме того побеги, выращенные с помощью нового метода, можно заморозить и сохранить на случай угрозы исчезновения какого-то вида кокосовой пальмы. Ученые подали заявку на патент.

5. Ученые из Сингапура и США разработали микробную платформу, где дрожжи Saccharomyces cerevisiae вместе с Escherichia coli синтезируют различные стриголактоны — фитогормоны, контролирующие рост и ветвление растений. Эти гормоны участвуют и в формировании корневого симбиоза с микроорганизмами, помогающими растению поглощать питательные вещества из почвы.

Гены стриголактонов встраивали в дрожжи и бактерии, но по отдельности не могли добиться синтеза фитогормонов: дрожжи оказались способны лишь преобразовывать предшественник стриголактона — карлактон — в сам гормон. Зато модифицированная E. coli может производит карлактон, но не может сделать из него фитогормон. В новой платформе дрожжи и бактерии работают сообща: бактерии синтезируют карлактон, а дрожжи преобразуют его в стриголактон. Таким путем авторам удалось синтезировать множество стриголактонов. Кроме того, ученые разогнали метаболизм микробов, чтобы увеличить производство гормона в три раза — достаточно, чтобы исследовать его свойства и свойства ферментов, отвечающих за его синтез.

Генетика

6. Роль генов или мутаций традиционно, с самого зарождения генетики, изучают на дрозофиле. В XXI веке для этого создают трансгенных мух, выполняя микроинъекцию плазмиды с интересующим геном в эмбрион насекомого. Но обычно успешность включения гена проверяют вручную — к нему добавляют «тег» (определенный цвет глаз, форма крыльев или другой признак), и по этому внешнему признаку ученые отделяют мух с нужным геном от тех, у кого этого гена нет. Отсматривать тысячи мух в микроскоп, чтобы отобрать для дальнейшего изучения тех, которые имеют нужный ген, утомительно. Американские ученые создали систему маркеров, придающих мушкам устойчивость либо чувствительность к конкретным лекарствам. Отбор может выглядеть так: в геном дрозофил встраивают ген, меченный устойчивостью к препарату, затем на всех дрозофил воздействуют этим препаратом, добавляя его в питательную среду, на которой растут личинки. Те, у кого есть нужный ген, выживут. Ученые успешно провели анализ in vivo четырех маркеров селекции и двух маркеров контрселекции. Авторы говорят, что комбинация тегов чувствительности и устойчивости к лекарствам может быть полезна, когда в один ген нужно ввести несколько модификаций, чтобы посмотреть, как это повлияет на функцию, или когда необходимо исследовать несколько генов одновременно.

7. Полосы некоторых тигров настолько широкие, что они выглядят почти черными. В индийском национальном парке Симилипал таких тигров около 37%, но в других популяциях таких тигров нет. Команда ученых из США и Индии сравнила генетические образцы 395 обычных тигров и 12 «черных» симилипалских. Оказалось, что с такой окраской ассоциирована миссенс-мутация в гене трансмембранной аминопептидазы Q (Taqpep). За пределами Симилипала эта мутация вероятнее всего не встречается. Другие изменения в этом гене ранее уже были связаны с необычными вариантами окраса у других видов кошачьих (например, у домашних кошек; подробнее на PCR.NEWS). Появление аномальных фенотипов в естественных популяциях говорит о потере генетического разнообразия и о том, что популяция изолирована. Если такой фенотип встречается часто, то аллель может закрепиться, отмечают ученые.

Молекулярная биология

8. Исследовали механизм, регуляции формирования R-петель. R-петли — структуры ДНК, образующиеся во время экспрессии генов при гибридизации РНК и одной из двух нитей ДНК. Эти петли очень сильно влияют на стабильность генома и синтез белков: если петель слишком много, это может привести к гибели клетки, если слишком мало — необходимые белки не синтезируются. Авторы работы, опубликованной в Nature Communication, определили, что количество R-петель регулируют три белка — SETX, USP11 и KEAP1. Точнее, USP11 и KEAP1 вместе регулируют протеостаз (баланс) SETX — РНК геликазы, которая, в свою очередь, регулирует образование R-петель. USP11 в норме ингибирует убиквитинацию SETX, а KEAP1 — наоборот, то есть они действуют как антагонисты. Если одного из белков мало, а количество второго в пределах нормы, происходит геномный дисбаланс. Это понимание, по словам авторов, может открыть новые стратегии терапии рака и нейродегенеративных заболеваний, поскольку рак характеризуется неконтролируемой пролиферацией клеток, а нейродегенерация, наоборот — снижением функции и гибелью. Регуляция R-петель может остановить и то, и другое.

Патологии костей и суставов

9. Ученые из США разработали двухкомпонентный имплантат суставного хряща с помощью классической 3D-печати, текстиля и мезенхимальных стволовых клеток. Имплантат состоит из трехмерного текстиля — «микроплетения» из резорбируемых волокон и пористого материала, нанесенного с помощью 3D-печати. Это позволяет сымитировать механические свойства и анатомическую структуру хряща. Готовый имплантат имеет поры, внутрь которых могут проникать клетки и равномерно распределяться по всему объему. Туда же могут диффундировать питательные вещества. Замысел ученых не в том, чтобы заменить хрящ искусственным материалом, а в том, чтобы позволить собственным тканям организма вырасти внутри тканевого 3D-имплантата и на его поверхности. Изобретение проверили на модели остеоартрита тазобедренного сустава у собак — у них была удалена большая часть хряща. Печатную основу засеяли собственными мезенхимальными клетками животного, и они росли на основе in vitro в течении нескольких недель. Затем имплантат поместили в поврежденный сустав, где хрящевая ткань продолжала расти уже in vivo. Спустя шесть месяцев собаки вернулись к нормальному уровню активности, не страдали от боли; результат был не хуже, чем при полной замене сустава.

10. Ученые из Института биологии старения Макса Планка тоже исследовали костные патологии и стволовые клетки. Когда мы стареем, стволовые клетки костного мозга, необходимые для поддержания целостности костей, утрачивают свою функцию, увеличивается риск остеопороза, кости становятся более хрупкими. Исследователи показали, что это связано с изменениями в эпигеноме стволовых клеток: снижается доступность хроматина и ацетилирование гистонов, что особенно актуально для остеогенных генов. Это происходит из-за деградации носителя цитратов (CiC), которая приводит к нарушению экспорта митохондриального ацетил-КоА. Хорошая новость в том, что эти изменения обратимы: восстановление уровня ацетил-КоА в цитозоле и ацетилирования гистонов возвращает активность стволовых клеток в норму. Ученые обработали стволовые клетки из костного мозга старых мышей питательным раствором с ацетатом натрия — источником ацетил-КоА. После этого уровень ацетилирования гистонов в клетках стареющих мышей стал сопоставим с таковыми в молодых клетках. Примечательно, что в стволовых клетках пожилых людей наблюдаются те же эпигенетические изменения. Это значит, что в перспективе можно говорить о новом терапевтическом подходе к остеопорозу.

Микробиом

11. Новое исследование Центра индивидуальной медицины клиники Майо показало, что прогноз при ревматоидном артрите зависит от микробиома кишечника. Ревматоидный артрит (РА) характеризуется воспалением суставов и болью, а в терминальной стадии может привести к потере подвижности суставов. Ученые провели ретроспективное исследование пациентов с РА с 1988 по 2014 год. Метагеномное секвенирование провели на образцах стула 32 пациентов. Профили микробиомов кишечника сильно различались у пациентов с прогрессированием заболевания и у тех, которые продемонстрировали улучшение. Авторы отмечают, что модификация микробиома кишечника может использоваться для улучшения клинического исхода. Также они обучили нейронную сеть прогнозировать течение заболевания на основе данных о микробиоме. Точность такого прогноза оказалась равна 90%.

Диабет

12. Трансгенная свинья поможет ученым изучать обмен инсулина. В норме β-клетки содержат несколько тысяч секреторных гранул инсулина, но при стимуляции выделяют лишь небольшую часть. Выделяется только недавно синтезированный инсулин, а более старый — распадается внутри клетки. Почему клетки вдруг перестают выделять инсулин или выделяют его недостаточно — ключевой вопрос этиологии сахарного диабета. Но понимание того, как функционируют β-клетки, основано в большей степени на исследованиях изолированных клеток ex vivo на моделях грызунов. Немецкие ученые создали трансгенную свинью со SNAP-тегом, слитым с инсулином, то есть пометили секреторные гранулы флуоресцентными метками. Инсулин разного возраста был помечен разным цветом, что в итоге позволяло отслеживать обмен инсулина в реальных условиях. Вместе со статьей опубликовано пошаговое руководство для других ученых по использованию этой модели.

Новости бизнеса

13. Oxford Nanopore Technologies привлечет около 300 миллионов фунтов стерлингов (413,1 млн долларов США) в рамках запланированного первичного публичного размещения на Лондонской фондовой бирже. Также компания подписала стратегическое партнерство и инвестиционное соглашение со службой облачных вычислений Oracle, которые инвестируют еще 150 миллионов фунтов стерлингов. Oxford Nanopore Technologies — разработчик технологии нанопорового секвенирования и поставщик портативных, дешевых и доступных секвенаторов. Теперь доступнее могут стать и данные, полученные с помощью их приборов. По словам вице-президента Oracle Vertical Industries Майка Сисилиа, интеграция геномных данных Oxford Nanopore в приложения и облачную инфраструктуру Oracle поможет большему количеству работников здравоохранения и ученых получить к ним доступ.

14. Дерматологическая диагностическая компания Castle Biosciences сообщила, что Департамент здравоохранения штата Нью-Йорк одобрил ее тест на профиль экспрессии генов DecisionDx DiffDx-Melanoma. Этот тест поможет дерматологам диагностировать меланоцитные поражения. По статистике, приведенной на сайте компании, за год в США проводится более 2 миллионов биопсий с подозрением на меланому, и около 300 тысяч из них невозможно диагностировать сразу — они требует вспомогательного тестирования. В DecisionDx DiffDx-Melanoma применяется технология, основанная на искусственном интеллекте.