27.01.2019

Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 21–27 января

Журналы читал

Александр Колесников

Этические и экономические проблемы волнуют научное сообщество не меньше, чем новые статьи в Nature и Science, инновации не всегда достаточно быстро проникают даже в самую питательную для них среду, инфекции по-прежнему являются одной из главных угроз населению Земли, но, несмотря на это, исследователи находят время для решения фундаментальных проблем и движения вперёд по многим направлениям.

Художник:

Саша Кук

Журналы читал

Александр Колесников

Этические баталии, вызванные геномным редактированием людей, продолжаются. Nature сообщает, что автор эксперимента по геномному редактированию близнецов уволен из университета и по факту нарушения им законодательства проводится расследование. Китайцы и ранее были известны своим смелым подходом к использованию геномного редактирования, однако на этот раз и власти решили, что автор работы перешёл границы дозволенного. Каковы они, неизвестно, поскольку официальные лица в Китае не указывают, какую именно букву закона нарушил Хэ Цзянькуй. Министерство образования Китая утверждает, что оно будет сотрудничать с другими официальными структурами Китая с целью улучшения механизма этической оценки проектов и построения эффективной регуляторной системы в области научных исследований.

Улучшения в области регулирования и инфраструктуры науки и медицины необходимы не только Китаю, но и законодателям мод в этой области — США. Это касается геномных технологий анализа риска заболеваний, в первую очередь — предсказания факторов риска развития опухолей. 23andMe недавно получила одобрение для использования генетического теста на предрасположенность к раку прямой кишки. Однако, как отмечает агентство Блумберг, созданная система тестирования далека от совершенства. Наследственная предрасположенность, которую призван определять тест, затрагивает лишь 5% от общей заболеваемости и не детектирует наиболее частый вариант наследственного рака прямой кишки — синдром Линча. Ранее отмечалось, что генетические тесты, которые не подпадают под определение «медицинская диагностика», даваемое FDA (а тесты 23andMe таковыми как раз и являются), могут представлять собой проблему с регуляторной точки зрения. Неясны также и последствия, к которым приведёт использование небольшим числом коммерческих корпораций данных о геномах всё большего числа людей. Например, успех в раскрытии тяжёлых преступлений 44-летней давности, широко обсуждавшийся в 2018 году, породил и сомнения в этических аспектах доступа компаний к персональным геномным данным.

Геномные исследования с использованием высокопроизводительного секвенирования сейчас можно рассматривать как рутинные. Всего 10 лет назад мало кто помышлял о том, с какой скоростью этот инновационный метод может стать практически обыденным инструментом медика, в частности, эпидемиолога. Журнал Nature рассказывает о масштабном исследовании вспышки холеры в охваченном гражданской войной Йемене. Больше миллиона заболевших, больше тысячи погибших, прежде чем эпидемия пошла на спад. Несмотря на сложные условия, изучение происхождения и распространения инфекции продолжается. Авторы считают: основной резервуар возбудителя, вызвавшего вспышку в Йемене, находился в Южной Азии. Оттуда патоген «перепрыгнул» в Восточную Африку, и уже из стран Африканского Рога попал в Йемен. Вспышки, случившиеся в 2010-е годы на Ближнем Востоке, не имеют с йеменской эпидемией ничего общего. Работа вскрывает различные свойства патогена: спектр антибиотикорезистентности, в частности, сформировавшуюся чувствительность к полимиксину, — свойство, не характерное для большинства штаммов, известных с 1961 года. В целом, работа подчёркивает важность получения максимально полной эпидемиологической информации для возбудителя холеры, остающегося смертельной угрозой в условиях войн и стихийных бедствий.

Поднимаемые в США проблемы не ограничиваются инновационными геномными исследованиями. Публикация в авторитетнейшем New England Journal of Medicine указывает на недостаточные усилия по внедрению инноваций в традиционные области медицины. По мнению авторов, здравоохранение США страдает от недостаточно эффективной цифровизации. Несмотря на вложение более чем 37 млрд. долл. в цифровизацию больничного документооборота, современная система электронных карт пациентов в США так и не создана. Авторы отмечают, что вместо экстенсивного подхода, подразумевающего увеличение числа специалистов широкого профиля (которых всё равно не хватит), успех мог бы сопутствовать интенсивным методикам с использованием телемедицины, обучения людей здоровому образу жизни и минимизации вредных привычек. Такой подход помог бы значительно экономить средства, выделяемые на медицинское обслуживание, и сфокусировать их на наиболее важных направлениях. Даже для тяжёлых больных, на основе новых технологий взаимодействия с врачами и при условии контроля в реальном времени, возможно сокращение дорогостоящей госпитализации.

Портал Genetic Engineering News также отметился в вопросе развития цифровых технологий в медицине, рассказав о возможностях, предоставляемых блокчейн-технологиями. Блокчейн может помочь борьбе с контрафактными лекарствами, разработке протоколов клинических испытаний и использованию 3D-печати для синтеза персонализированных лекарств. Отсутствие полностью прозрачной и защищённой от мошенников системы поставки лекарств приводит к тому, что около 20% препаратов на рынке США и Европы — опасные подделки. Использование информационно «непробиваемого» блокчейна очистит систему поставки лекарств от контрафакта. Улучшение методов хранения и обработки данных, передачи информации и работы с пациентами, которые обеспечивает блокчейн могут повысить эффективность «виртуального» клинического испытания, пробные результаты которого оказались неоднозначными. Наконец, блокчейн может помочь корректно и безопасно осуществить компиляцию сложных данных, полученных от пациента: геномных, протеомных, метаболомных и других, и на их основе выдать задание на синтез персонализированного лекарственного средства.

На настоящий момент идеального инструмента для CRISPR-редактирования не существует, поэтому продолжается поиск вариантов не только путём модификации Cas9, но и с помощью изучения других нуклеаз. Не секрет, что изученные ферменты составляют малую часть семейства нуклеаз Cas. Группа исследователей из Института Брода в MIT разрабатывает систему редактирования на основе нуклеазы Cas12b, для которой температурный оптимум реакции близок к 500С. Исследователей привлекает небольшой размер фермента, дающий преимущества при доставке в клетку. Методами белковой инженерии исследователи из «сырого» исходного материала сконструировали высокоспецифичный фермент, который распознаёт иной PAM-мотив, чем Cas9, и имеет относительно небольшой размер, что позволяет упаковать его ген в аденовирусную частицу.

Редактирование с Cas9 тоже не сдаёт позиции. Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего научились при помощи CRISPR-редактирования контролировать наследование признаков у мышей. Ранее такая система под обозначением gene drive была создана для насекомых, например для того, чтобы все вновь появляющиеся на свет особи комаров оказывались стерильными. Выпуск генномодифицированных насекомых в окружающую среду вызвал законные опасения, и в работе с мышами решалась важная, но полностью «внутрилабораторная» задача: быстрое получение животных с несколькими модифицрованными генами при скрещивании. Проведённые «обычным порядком» такие скрещивания крайне ресурсоёмки, а их доступность могла бы значительно продвинуть многие направления биологии. Исследователи создали достаточно эффективный метод«управления наследственностью». Дополнительно была получена интересная информация о процессах гомологичной рекомбинации в половых клетках и на различных стадиях развития эмбриона.

Неожиданные результаты были получены в другой области молекулярной генетики. Исследователи из Дании и Испании анализировали скорость мутагенеза геномов человека и приматов. Эволюционистов заинтересовал расчёт времени, которое прошло с момента выделения H. sapiens как вида. Если взять для расчётов современную скорость хода «молекулярных часов» человека, то окажется, что расхождение с обезьянами случилось чуть ли не в эпоху появления и расцвета мастодонтов, 20–30 млн. лет назад, что явно не соответствует данным классической палеонтологии. Данных по измерению скорости мутаций у людей в последние годы было получено много, а вот для приматов такие работы практически не проводились. Исследователи сравнили «молекулярные» и «палеонтологические» часы у приматов и не нашли больших расхождений. А вот у людей в последние десятки тысяч лет скорость накопления изменений в геноме уменьшилась на треть по сравнению с приматами. Исследователи отметили, что на основании полученной информации не исключены коррективы и в истории расхождения видов H. sapiens и H. neandertalensis. Работы будут продолжены.

Повышенная по сравнению с людьми скорость эволюции приматов не помогает им в борьбе с «хищными вещами» XXI века. В новостях неоднократно упоминалось о вскрытии резервуаров патогенов, ранее опасных только для животных, и о новых инфекциях человека. ВИЧ, SARS, MERS, «свиной» и «птичий» грипп, и даже лихорадка Эбола — перечень инфекций, недавно «переселившихся» в той или иной степени от животных к людям благодаря глобализации и разрушению экосистем. Увы, процесс работает и в обратном направлении. В Уганде популяция шимпанзе подверглась атаке двух различных патогенов человека — вируса парагриппа 3 и метапневмовируса. Оба патогена относительно безопасны для человека и вызывают типичное ОРЗ, хотя метапневмовирус может вызвать более тяжёлое, но не фатальное заболевание у младенцев. Для шимпанзе метапневмовирус оказался смертельно опасным. Вирус парагриппа не убивал приматов, но вызывал тяжёлую инфекцию и потерю веса. В основе проблемы лежит увеличение числа контактов шимпанзе с глобализированной и потому ставшей недружественной реальностью, окружающей маленькие колонии обезьян.

Диагностика вируса Эболы столкнулась со сложностями, далёкими от загадок природы. Тяжёлая вспышка инфекции в Демократической Республике Конго выявила недостаток поставок диагностических наборов. Согласно публикации исследователей из Бельгии и Конго, оказалось, что, несмотря на наличие международного финансирования, быстро заказать средства диагностики Эболы не удаётся. Одна из американских компаний, например, поставляет тесты только по строго определённой программе, а заказать у неё набор третьим лицам невозможно. Авторы признают, что тест, который был недавно разработан и коммерциализован ими самими, более недоступен для продажи, поскольку компания-производитель прекратила его выпуск, переключившись исключительно на онкологию.

В США ещё не стёрлась память об эпидемии полиомиелита и тысячах парализованных людей, поэтому новости о вирусном заболевании, вызывающем паралич, воспринимаются достаточно остро. Но на этот раз паралич у детей из клиники в Финиксе, штат Аризона, вызвал не полиовирус, а энтеровирус EV-D68. Исследователи выяснили, что все 11 случаев инфекционного миелита у детей в 2016 году, имевшие место в Аризоне, связаны с присутствием EV-D68 в организме пациентов. Согласно данным CDC, до описанного случая этот вирус вызывал только респираторную инфекцию, хотя в ряде случаев и тяжёлую. Теперь, по мнению исследователей, пустующую в результате успешной кампании по вакцинации нишу полиовируса могут занять его дальние родственники, в том числе и EV-D68. Так это, или нет, и каков возможный механизм «смены экологической ниши» для этого и других энтеровирусов, покажут дальнейшие исследования.

Исследователи из Австралии имеют серьёзные основания полагать, что иммунизация против ротавируса привела к падению заболеваемости диабетом I типа — болезнью, которая развивается не от неумеренного потребления сладкого и ожирения, а от не понятных до конца причин, основной из которых может быть аутоиммунное поражение бета-клеток поджелудочной железы, производящих инсулин. Ротавирусная инфекция числится среди главных потенциальных индукторов аутоиммунного ответа к бета-клеткам. Работы находятся в самом начале, и детали механизма влияния вакцинации на снижение частоты аутоиммунного диабета ещё предстоит понять, но падение заболеваемости, совпавшее с началом применения ротавирусной вакцины — установленный факт. Подробнее — в нашем материале.

Исследователи, разрабатывающие ингибиторы цикла развития вируса Зика, натолкнулись на перспективную клеточную мишень — белок теплового шока HSP70. Ранее было показано, что ингибиторы HSP70 интерферируют с жизненным циклом родственного флавивируса, возбудителя лихорадки Денге. Результаты, полученные исследователями из Калифорнии и опубликованные в Cell Reports, указывают на то, что многие аспекты жизненнного цикла вируса Зика зависят от активности HSP70. Аллостерические ингибиторы этого шаперона блокировали размножение вируса в культуре клеток и защищали от инфекции модельных животных. В отдельной серии экспериментов было продемонстрировано, что резистентность у вируса Зика к ингибиторам HSР70 не развивается. Поскольку шаперон связан с несколькими стадиями жизненного цикла вируса, развитие резистентности представляется маловероятным. Поэтому ингибирование HSP70 может быть эффективным способом терапии заболеваний, вызванных флавивирусами.

В окончание «вирусной» тематики уместно рассказать об исследованиях механизма латентности ВИЧ. Встраивание в геном и создание «молчащего» до поры до времени резервуара вируса является одной из главных проблем терапии СПИД. Клеточные механизмы не дают вирусу активироваться и выводят из-под удара часть инфицированных клеток, несмотря на любые возможные виды терапии, действующие на клетку извне. Исследователи из Йельского университета сообщают в публикации в PNAS об идентификации одного из компонентов, сайленсинга интегрированного генома ВИЧ. Им оказался белок A3A из семейства ферментов, редактирующих ДНК. Этот белок связывается с 5’-LTR ВИЧ и рекрутирует комплекс белков, обеспечивающий латентность вирусного генома в составе хроматина. Нокаут A3A приводит к повышению уровня реактивации интегрированного провируса. Воздействие на A3A и другие компоненты механизма латентности может помочь очистить организм от клеток, содержащих интегрированный провирус.

Не только вирусы, но и бактерии то и дело оказываются среди агентов, провоцирующих тяжёлые заболевания, на первый взгляд ни с какими инфекциями не связанные. В мозге пациентов, умерших от болезни Альцгеймера был обнаружен известный патоген, вызывающий воспаления ротовой полости — Porphyromonas gingivalis. Статистические данные свидетельствовали о значительном ухудшении состояния пациентов с болезнью Альцгеймера на фоне хронической инфекции gingivalis. Патоген обнаруживался и в цереброспинальной жидкости пациентов. Эксперименты на мышах подтвердили эти наблюдения и установили, что протеаза, являющаяся фактором вирулентности бактерии, гингипаин, ответственна за индукцию амилоидного пептида в мозге заражённых животных. Ингибиторы гингипаина действовали как нейропротекторы. Интересно, что ингибитор гингипаина COR388 блокировал рост бактерий в организме животных. Детали механизма индукции заболевания или его осложнений при инфекции P. gingivalis ещё предстоит выяснить, но полученные данные свидетельствуют о необходимости испытания ингибиторов гингипаина для лечения болезни Альцгеймера.

Работа, опубликованная японскими исследователями в Nature, в который раз подчёркивает важность симбиоза организма человека с бактериями кишечника. В работе описан отбор микроорганизмов из образцов микрофлоры человека, способных индуцировать сильный цитотоксический Т-клеточный ответ, и не содержащих факторы вирулентности. Отобранные 11 штаммов «переселили» к свободным от бактерий мышам и изучили сопротивляемость животных. Оказалось, что у мышей с повышенной в результате колонизации продукцией IFNγ+CD8+ T-лимфоцитов, значительно увеличилась сопротивляемость к инфекции листериями. Более того, колонизированные животные успешнее сопротивлялись индуцированным опухолям, причём как в присутствии ингибиторов контрольных точек иммунной системы, так и в их отсутствие (пусть и в меньшей степени). Важно отметить, что отобранные микроорганизмы составляют очень небольшую часть нормальной кишечной микробиоты человека. Возможно, описанный искусственный микробиом будет первым по-настоящему эффективным пробиотическим препаратом, повышающим сопротивляемость организма к различным воздействиям.

Работа интернациональной группы исследователей из Окленда (Новая Зеландия) и Бостона (США) привела к идентификации так называемых «супердоноров» микробиома кишечника. Бактерии, полученные от таких доноров, оказываются намного эффективнее большинства образцов микробиоты при подавлении хронической диарреи, вызванной C. difficile. Эффект «супердоноров» был обнаружен и в случае бактериальной терапии хронического воспаления кишечника. Авторы работы, опубликованной в журнале FCIM пока не знают в точности, чем именно вызвано «супердонорство».

Сепсис — одно из самых тяжелых осложнений при бактериальных инфекциях. Его развитие отражает чрезмерную реакцию защитных систем организма. Массированный выброс медиаторов воспаления при сепсисе не в состоянии заблокировать инфекцию, но при этом может нанести непоправимый ущерб организму. О том, как отрегулировать эту «паническую кнопку», задумались исследователи из Мюнхенского технического университета. Они обнаружили, что, хотя регуляторный цитокин IL-27α у мышей и людей отличается на единственную аминокислоту, последствия этого отличия значительны. У мышей IL-27α может секретироваться в виде отдельного белка и обладает иммунорегуляторной функцией, подавляя гиперреакции иммунной системы. У людей секреция IL-27α целиком зависит от присутствия гетерологичной субъединицы, и механизм регуляции, аналогичный мышиному и связанный с альтернативными способами фолдинга белка, похоже «выпал» в процессе эволюции. Исследователи считают, что «гуманизация» мышиного IL-27α и, наоборот, «мускулизация» человеческого цитокина позволят разработать метод блокировки септического шока и создать точную картину функционирования важнейшего компонента иммунной системы.

В заключение о фундаментальных проблемах биологии, связанных с опухолевыми заболеваниями. Чтобы нормальные клетки человека трансформировались в злокачественные, они должны преодолеть два барьера — старения и кризиса. Старение клетки сопровождается перманентным арестом цикла клеточного деления, но если этот арест по каким-либо причинам снимается, критическое укорочение теломер через несколько циклов деления таких клеток вызывает кризис — слияние концов теломер между собой, сопровождающееся нарушениями митоза и индукцией клеточной смерти. Некоторая часть клеток может преодолеть и кризис, такие клетки претерпевают злокачественную трансформацию, связанную с хромосомными перестройками. Исследователи из Института Солка в Калифорнии показали, что одним из важнейших барьеров, стоящих на пути преодоления клетками кризиса, является процесс аутофагии. Именно блокировка аутофагии позволяла клеткам в состоянии кризиса продолжить деление и превратиться в «микрофранкенштейнов» со значительно перестроенными геномами, прототипов злокачественных опухолей. Ранее считалось, что аутофагия, наоборот, способствует развитию опухоли, позволяя трансформированной клетке «дотягиваться» до ранее недоступных ресурсов. Теперь становится понятно, что аутофагия сдерживает трансформацию, ограничивая клеткам в состоянии кризиса доступ к ресурсам. Есть указания и на то, что процессы апоптоза и аутофагии включаются при различных типах повреждения ДНК, причём аутофагия индуцируется именно при повреждении теломер. Дальнейшее изучение в данном направлении может значительно продвинуть наши представления о механизме злокачественной трансформации клеток.