Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 17–23 мая

Новый класс молекул — гликоРНК

1. Гликолипиды и гликопротеиды играют важную роль в межклеточных коммуникациях. Ученые из США обнаружили, что гликаны могут прикрепляться не только к липидам и белкам, но и к малым молекулам РНК. Им удалось выделить гликозилированные транскрипты длиной менее 200 нуклеотидов из различных клеточных линий человека и китайского хомячка, а также из печени и селезенки живых мышей. Эти малые некодирующие РНК оказались схожими в нескольких клеточных типах. Среди них тРНК, малые ядрышковые, малые ядерные, а также Y РНК, которые образуют рибонуклеопротеины, являющиеся антигенами при аутоиммунных заболеваниях. Биосинтез гликоРНК происходит в эндоплазматическом ретикулуме с помощью тех же ферментативных систем, что и N-гликозилирование других биополимеров. Большая часть гликоРНК ассоциирована с поверхностью клетки. Открытие связывает между собой разделы биохимии, изучающие РНК и углеводы, и дает новую информацию о механизмах возникновения аутоиммунных заболеваний ( подробнее на PCR.NEWS).

Метаболизм, ожирение, микробиом

2. Расшифрована пространственная структура рецептора сытости, активация которого снижает аппетит. Сопряженный с G-белком рецептор MC4R экспрессируется преимущественно в гипоталамусе, является мишенью лекарств против ожирения, а мутации в нем приводят к набору веса у модельных животных. По сравнению с другими рецепторами этого семейства MC4R необычен: в организме для него есть как естественный агонист, так и антагонист — пептиды, контролирующие аппетит. Ранее уже была определена структура инактивированного рецептора в комплексе с антагонистом. В новой работе ученые с помощью криоэлектронной микроскопии получили структуру активного рецептора в комплексе с его фармакологическим активатором сетмеланотидом. Авторы статьи, опубликованной в Science, определили ключевые аминокислотные остатки, мутации в которых препятствуют связыванию активатора, и выяснили, что для связывания необходимы ионы кальция. Исследование поможет в дизайне новых лекарств против ожирения.

3. Клетки Панета в тонком кишечнике обеспечивают иммунную защиту, секретируя антибактериальные пептиды, формируют среду для развития стволовых клеток кишечника, а также участвуют в воспалительных процессах. Авторы статьи в Cell Host & Report показали, что избыточное питание («западная диета») вызывает обратимые изменения в клетках Панета у мышей, приводящие к нарушению проницаемости стенок кишечника, воспалению и повышенной восприимчивости к кишечным инфекциям. Известно, что ожирение сопровождается изменением состава микробиоты: численность таксона Firmicutes увеличивается, а Bacteroides уменьшается. В экспериментах по переносу микрофлоры от мышей с избыточным питанием к здоровым животным ученые также наблюдали нарушения в клетках Панета. Эта взаимосвязь вызвана нарушением метаболизма желчных кислот.

4. Исследование, опубликованное в PNAS, посвящено противоположной проблеме — недоеданию. Как показал разработанный авторами алгоритм для анализа метагеномов, при голодании поросят в метагеноме их кишечной микрофлоры слабее экспрессируются гены ферментов, ответственных за метаболизм сложных углеводов. Эти бактериальные ферменты превращают углеводы в бутират, который становится для свиней источником энергии. Таким образом, голодание в начале жизни ослабляет способность к перевариванию сложных углеводов — основного компонента рациона взрослых свиней при их коммерческом выращивании.

Диабет

5. Оказывается, в развитии диабета I типа принимают участие не только эндокринные клетки поджелудочной железы, но и ее экзокринные и иммунные клетки. Группа ученых из США и Германии провела полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) образцов 18942 пациентов с диабетом I типа и 501638 здоровых людей. Результаты объединили с данными по доступности хроматина единичных клеток, полученных методом ATAC-seq, чтобы выявить, какие регуляторные элементы активны в клетках, отвечающих за развитие заболевания. Локусы, ассоциированные с развитием диабета I типа, также были ассоциированы с регуляторными элементами в открытом хроматине в иммунных Т-клетках и в экзокринных клетках поджелудочной железы. Один из вариантов, связанных с диабетом I типа, локализован в промоторе гена CFTR, активном в экзокринных клетках главного протока поджелудочной железы. Наиболее известные мутации в этом гене связаны с муковисцидозом; в данном исследовании показано, что аллель повышенного риска по диабету I типа снижает экспрессию CFTR.

Меланома

6. Склонность к развитию меланомы у человека ассоциирована со степенью пигментации кожи. Ученые из Института биологических исследований Солка (Калифорния, США) проследили развитие меланобластов у мышей и раскрыли молекулярный механизм этой взаимосвязи. Обрабатывая меланобласты ингибиторами нескольких сигнальных путей, они выявили два гена OCA2 и CRTC3, которые участвуют в биосинтезе пигмента и одновременно способствуют пролиферации и метастазированию клеток опухоли. По мнению авторов, ингибирование CRTC3 может иметь терапевтический потенциал.

Молекулярная диагностика

7. Создан атлас митохондриального генома человека, показывающий ассоциации между митохондриальным генотипом и фенотипом. Ученые из Великобритании и Испании проанализировали митохондриальные геномы из Биобанка Великобритании и выявили 260 новых вариантов, ассоциированных с развитием диабета II типа, рассеянного склероза, нарушений печени, почек, а также с ростом человека. Кроме того, ранее считалось, что варианты митохондриальных геномов не связаны с полиморфизмами ядерного генома, поскольку у мтДНК другой тип наследования. Данное исследование опровергло эту гипотезу, выявив 332 митохондриальных варианта, коррелирующих с ядерным геномом. Процедура контроля качества и анализа митохондриальных геномных данных, разработанная авторами, может быть полезной для дальнейшего изучения полиморфизмов в геноме органелл.

8. Американский колледж медицинской генетики и геномики (ACMG) обновил список генов, информацию о которых (без указания первичной цели исследования) рекомендовано публиковать клиническим лабораториям, занимающимся полногеномным и полноэкзомным секвенированием. В список входят гены, вариации в которых ассоциированы с наследственной предрасположенностью к раку и другим хроническим заболеваниям. Ранее он включал 56 генов, теперь его расширили до 73 — новые гены ассоциированы с риском рака молочной железы, дилатационной кардиомиопатии, болезни Помпе и др. Гены, важные с точки зрения фармакогеномики, пока решили не добавлять, так как ключевые полиморфизмы обычно содержатся в регуляторных областях и не выявляются полноэкзомным секвенированием.

Туберкулез

9. Золотой стандарт диагностики туберкулеза — культура микобактерий, однако она дает положительный результат только в 30–62% случаев детского туберкулеза. Молекулярные диагностические тесты, такие как Xpert MTB/RIF и Xpert MTB/RIF Ultra, также менее чувствительны у детей. Иммунологические тесты, например, кожные туберкулиновые пробы и тесты высвобождения гамма-интерферона, не отличают инфекцию Mycobacterium tuberculosis от туберкулеза, и их чувствительность снижена у детей с ослабленной или незрелой иммунной системой. Поэтому для диагностики туберкулеза у маленьких детей необходимы новые методы, желательно без анализа мокроты. В США разработали новую систему для выявления M. tuberculosis в сыворотке крови младенцев. Система детектирует специфичный для возбудителя туберкулеза пептид — фактор вирулентности CFP-10. Его выделяют из сыворотки с помощью иммунноаффинных наночастиц и определяют методом MALDI-TOF масс-спектрометрии. В испытании на 519 младенцах, получивших вакцину БЦЖ и рожденных от ВИЧ-инфицированных матерей (оно проводилась в рамках многоцентрового рандомизированного двойного слепого плацебо-контролируемого исследования профилактической эффективности изониазида) тест показал чувствительность 100% и специфичность 93,1%.

Терапия ВИЧ

10. Белок Env оболочки ВИЧ — единственный вирусный белок, экспонированный на поверхности зараженной клетки, — является основной мишенью цитотоксического иммунного ответа, обусловленного антителами. Однако закрытая конформация белка делает его малодоступным для связывания антител хозяина. При связывании своего рецептора CD4 на поверхности клеток Env переходит в более доступную антителам открытую конформацию, но другие вирусные белки подавляют экспрессию CD4 в зараженных клетках, что позволяет вирусу избежать иммунного ответа. Коллектив ученых из Канады и США применил низкомолекулярное вещество, имитирующее действие CD4 на конформацию Env, и показал, что оно делает зараженные клетки более уязвимыми для иммунной системы. Введение гуманизированным мышам CD4-миметика совместно с антителами к комплексу CD4-Env существенно уменьшало титр вируса в организме животных и замедляло восстановление титра после антиретровирусной терапии.

Клеточные типы

11. Ученые из США на основе данных по секвенированию транскриптомов единичных клеток создали полный атлас клеточных типов коры головного мозга и гиппокампа мыши, сообщает статья в Cell. Исследование показало, что гиппокамп устроен гораздо сложнее, чем полагали ранее. В нем обнаружили глутамат- и ГАМКергические нейроны, гомологичные клеточным типам коры головного мозга; это позволяет предположить, что в этих двух структурах присутствуют схожие нейронные взаимосвязи. Ученые представили полную классификацию клеточных типов в зависимости от их пространственной локализации и функциональных особенностей. В атласе более 200 типов глутаматергических и более 100 типов ГАМКергических нейронов.

12. Авторы еще одного исследования, опубликованного в Cell, проанализировали транскриптомы и транслятомы различных клеточных популяций корней растений. Выявили эволюционно консервативные клеточные типы в корневых меристемах трех видов растений — арабидопсиса, томата и риса. Однако изменения транскрипции и трансляции генов в ходе роста и развития проводящих тканей из меристемы корня у этих растений различались, таким образом, перенос закономерностей, описанных для модельного вида, на другие виды не всегда возможен. Сходное явление существует и у животных: на ранних стадиях развития в тканях разных видов позвоночных корреляция экспрессии гомологичных генов сильнее выражена, чем у взрослых особей.

Регенерация

13. Аксолотль Ambystoma mexicanum может полноценно регенерировать утраченную конечность, тогда как у шпорцевых лягушек Xenopus laevis после метаморфоза способность к регенерации ограничена. Авторы статьи в Developmental Cell провели секвенирование РНК единичных клеток развивающейся почки конечности головастика лягушки, а также клеток бластемы — соединительной ткани, отвечающей за регенерацию конечности у аксолотля и взрослой лягушки. Оказалось, что активность генов, сопутствующих дифференцировке фибробластов в хрящ, различалась у головастика и взрослой лягушки. При развитии конечности головастика специфически экспрессировались гены сигнального пути Wnt и минерализации хряща, а при регенерации у взрослой лягушки — гены, ответственные за клеточную адгезию. У аксолотля же в участках регенерации были активны другие факторы, не обнаруженные у лягушки, и паттерны экспрессии в течение жизни существенно не изменялись.

14. Открыт механизм, препятствующий регенерации зрительного нерва после повреждений. Зрительный нерв формируется аксонами ганглиозных клеток сетчатки, которые отмирают при его повреждении. Оказалось, что за этот процесс отвечает хемокин CXCL12 и его рецептор CXCR4. Хемокин продуцируется только наивными ганглиозными клетками, которые транспортируют его по аксонам и стимулируют тем самым рост нерва в направлении ЦНС. Зрелые ганглиозные клетки экспрессируют лишь рецептор хемокина. Когда происходит повреждение, транспорт хемокина в дистальные районы нарушается, аксоны оказываются «заперты» в месте повреждения.

Хромосомы

15. Робертсоновские транслокации (слияния двух хромосом, имеющих одно короткое плечо) — самая распространенная сбалансированная хромосомная перестройка от растений до млекопитающих. В Nature Communications опубликовано исследование воздействия робертсоновских транслокаций на архитектуру хроматина в ядрах сперматоцитов. Исследование проводили на линии живущих в природе домашних мышей (Mus musculus domesticus) с Пиренейского полуострова, которые относительно недавно в эволюционном масштабе приобрели робертсоновские слияния хросомом. Оказалось, что такие слияния влияют на расположение всех хромосом в ядре перед мейозом, что может нарушать правильное спаривание гомологов. В ядрах с перестроенными хромосомами чаще наблюдается кроссинговер между негомологичными участками хромосом. Таким образом могут появляться новые регуляторные сети генов, что важно с эволюционной точки зрения.

Эволюция растений

16. Колонизовать сушу растениям помогла их способность снабжать липидами с симбиотические грибы. Обложка журнала Science на этой неделе посвящена симбиозу между грибом и печеночным мхом Marchantia paleacea. Формирование микоризы — одно из эволюционных приобретений, позволивших растениям выйти на сушу 450 миллионов лет назад. Долгое время считалось, что гриб в составе микоризы поставляет растению минеральные вещества и взамен получает углеводы, однако позднее выяснилось, что растения поставляют грибу также и липиды. Авторы статьи проанализировали экспрессию генов в микоризе печеночного мха и высших растений и выявили в растениях консервативные гены, отвечающие за биосинтез и транспорт липидов для гриба-симбионта. Эти гены отсутствуют в водорослях, не образующих симбиоза с грибами.