Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 23-29 марта (без коронавируса)

Клеточная биология

1. Трансплантация органов — тема хорошо известная. Менее знаменита трансплантация на микроуровне — трансплантация клеточных органелл, в частности, митохондрий. Митохондрии могут «выходить из строя» как временно, в результате стрессов, сопровождающих, например, инфаркт миокарда, так и постоянно, из-за генетических патологий. Калифорнийские исследователи опубликовали анализ последствий «пассивной» трансплантации гомологичных и гетерологичных митохондрий в клетки кардиомиоцитов крысы. Они показали, что простое смешивание очищенных митохондрий с клетками приводит к поглощению интактных митохондрий. Для слежения за их проникновением клетки использовали специальные флюоресцентные красители, активирующиеся только во внутриклеточном пространстве, а также контрольные метки. Оказалось, что кардиомиоциты крысы адсорбируют как аутологичные и гомологичные митохондрии, так и гетерологичные (полученные из других линий клеток и даже из клеток ретины человека). После этого в клетках на срок до двух дней активировались респираторные процессы, в то время как дополнительного выброса атомарного кислорода, характерного для стрессового состояния митохондрий, не наблюдалось. Исследователи сделали заключение о перспективности трансплантации митохондрий и о необходимости дальнейших исследований для обеспечения длительного эффекта.

Структурные исследования

2. Новые технологии получения изображений биомолекул с высоким разрешением используются в достаточно неожиданных областях, в частности, в структурной биологии. До сих пор получение кристаллов белков остается эмпирической процедурой, для многих белков оптимальные условия кристаллизации ищут простым подбором. Согласно теории, кристаллизация белка происходит путем формирования микроядер, которые становятся зародышами больших кристаллов. Криотрансмиссионная сканирующая электронная томография (Cryo-STEM) позволила наблюдать процесс формирования белковых кристаллов в псевдореальном времени. По временным слепкам процесса сконструировали модель, в целом подтверждавшую известные представления: сначала формируется микрокристалл из нескольких молекул белка, затем на него упорядоченно «налипают» другие молекулы. Однако авторы нового исследования, опубликованного в Nature, использовали Cryo-STEM для анализа кристаллизации ферритина, белка с совершенно иными свойствами, чем глюкозоизомераза. Характер кристаллизации ферритина также был совершенно иным: вместо формирования микроядер молекулы ферритина образовывали большие рыхлые агрегаты, часть из которых впоследствии «теряла» воду и трансформировалась в электронноплотные структуры, служившие основой для кристаллизации. Данные, полученные в этой работе, помогут создать теоретические основы кристаллизации белков различных типов.

3. Прогресс в структурных исследованиях на различных уровнях организации живой материи позволяет описать процессы, остававшиеся в значительной степени необъясненными. Известно, что при слиянии родительских гамет в зиготу часть родительских структур хроматина не изменяется и обуславливает эпигенетический контроль экспрессии генов. Однако детали эпигенетической наследственности, а также изменения хроматина в процессе развития эмбриона, не исследованы. Авторы статьи в Nature использовали созданную ими же методику реконструкции архитектуры хроматина для анализа его перестроек в раннем эмбриональном развитии. Было показано, что на самых ранних этапах «родительские» структуры хроматина высокого порядка коррелируют с репрессией содержащихся в них генов, метилированием гистона H3 и селективной активацией некоторых генов родительских гамет. Такие структуры были названы топологически ассоциированными доменами (TAD). При дальнейшем развитии, связанном с началом клеточного деления, формируются эмбрионспецифические TAD, активирующие экспрессию. Эти TAD не являются производными родительских, и их появление ассоциировано с глобальной перестройкой хроматина. Помимо глобального анализа перестроек хроматина, разработанная методология позволила проследить за инактивацией отцовской X-хромосомы. TAD исчезали в тех регионах, которые инактивировались при сайленсинге отцовской хромосомы, но оставались там, где транскрипция не подавлялась.

Онкология

4. Изменения в хроматине происходят не только при нормальном, но и при аберрантном развитии, которое часто приводит к злокачественной трансформации клеток. Очередное подтверждение этому найдено в работе, опубликованной в Nature Communications. Авторы установили, что фосфорилирование теломеразы (hTERT) киназой CDK1, активной при митозе, по остатку треонина-249 активирует процессы канцерогенеза и часто встречается в агрессивных опухолях. В подробной серии экспериментов авторы продемонстрировали, что фосфорилирование не влияет на теломеразную активность hTERT, но активирует недавно описанную РНК-зависимую РНК-полимеразную активность фермента. Предполагается, что эта активность связана с синтезом малых интерферирующих РНК в процессе митоза. Теоретически эти РНК могут регулировать активность экспрессии генов, связанных с митозом, однако детали влияния РНК-полимеразной активности hTERT на клеточное деление пока остаются непонятными. Дальнейший анализ может способствовать выявлению мишеней для терапии агрессивных опухолей, связанных с контролем клеточного деления.

5. Активация митоза, первоначально не связанного с опухолью, тем не менее может приводить к злокачественным новообразованиям. В исследовании, опубликованном в Science Translational Medicine, показано, что острое повреждение почечной ткани у мышей ведет к канцерогенезу. На связь между повреждениями и последующим развитием опухолей указывали данные, полученные при изучении когорт пациентов. Исследования модели ишемической нефропатии у мышей показали, что предшественники почечных тубулярных клеток, чей митоз активируется при повреждении почек, — единственные предшественники опухолей почек в последовательности «аденома-карцинома». Повреждения клеток почек ускоряют формирование опухоли. Профилирование мРНК единичных клеток папиллярной опухоли почек человека также показало сходство их транскриптома с транскриптомом предполагаемого предшественника клеток почечной ткани. Более того, оверэкспрессия NOTCH1 активирует формирование аденоматозных и опухолевых клеток из предшественников, как у мышей, так и у человека. В культуре стволовых клеток почек человека оверэкспрессия NOTCH1 вызывала рост трехмерных опухолеподобных структур. Таким образом, своевременное купирование острых повреждений ткани почек и изучение агентов, блокирующих активацию NOTCH1, могут быть, по мнению авторов, важными факторами профилактики и терапии карциномы почек.

6. Злокачественную трансформацию могут вызывать весьма различные по своим механизмам нарушения клеточного деления. Авторы работы, опубликованной в Developmental Cell, выяснили, что при делении в опухолевых клетках спонтанно теряется когезия между сестринскими хроматидами. Комплекс когезина образует тороидальную структуру вокруг делящихся хромосом и мешает преждевременному расхождению хроматид, которое может вызвать нарушения в репликации вплоть до образования множественных двухцепочечных разрывов ДНК. Когезины также обеспечивают модуляцию скорости репликации в зависимости от степени сложности участка ДНК (GC-состав, компактность хроматина и т. д.). Диссоциация тороидов когезина в норме происходит лишь в анафазе. Особенно важен баланс когезина, если делящаяся клетка испытывает стресс.

Исследователи пришли к выводу, что мутации в когезинах и белках, непосредственно регулирующих их активность, влияют на потерю когезии незначительно, в отличие от активации онкогенных сигнальных путей в клетке (например, трансформация Е-антигеном вируса SV40 или активация мутантного KRAS). Экспрессия онкогенов, в частности KRAS, вызывала стресс при митозе, который и приводил к потере когезии. Повышение концентрации нуклеотидов, необходимых для репликации, частично снимало репликационный стресс, сохраняя когезию. Авторы также обнаружили, что для продолжения репликации клетки в условиях стресса необходима продукция антагониста когезии, белка WAPL. Последний оказался необходимым компонентом механизма диссоциации «застрявших» репликационных вилок и обеспечения репарации двухцепочечных разрывов в ДНК. По мнению авторов, данные о роли онкогенов в потере когезии хроматид и о регуляции нарушений репликации, вызванных этой потерей, обеспечивают фундамент для поиска новых путей противоопухолевой терапии.

7. Не осталось без внимания самое популярное на данный момент направление в противоопухолевой тематике — ингибирование контрольных точек иммунного ответа. Далеко не все пациенты развивают клеточный иммунитет к опухолям под действием ингибиторов PD-1 пути. Одним из важных факторов устойчивости PD-1 пути является активность фактора TGFβ. Однако пан-ингибиторы каскада TGFβ обладают значительной кардиотоксичностью и неприменимы в клинике. Авторы исследования, опубликованного в Science Translational Medicine, предположили, что от кардиотоксичности можно избавиться, если повысить специфичность ингибирования, сведя ее к блокировке только определенной ключевой изоформы TGFβ1. Антитело SRK-181, эксклюзивно специфичное к TGFβ1, при одновременном введении c антителом к PD-1 вызывало значительный противоопухолевый эффект и повышение выживаемости у модельных животных. Интересно, что эффект также наблюдался в опухолях, продуцирующих и другие изоформы TGFβ. Исследование крыс на протяжении четырех недель показало отсутствие патологий сердечных клапанов.

8. Несмотря на важность данных, полученных в предыдущем исследовании, быстрой победы над всеми типами опухолей они, вероятно, не обеспечат, поскольку механизмы иммуносупрессии при канцерогенезе весьма разнообразны, и новые данные поступают практически все время. В исследовании, опубликованном в Nature, описаны дендритные клетки ранее неизученного фенотипа. Авторы обозначили их как «зрелые дендритные клетки, обогащенные регуляторными молекулами», или mregDC. Индукция mregDC происходит неизвестным путем при поглощении опухолевых антигенов. Эти клетки имеют повышенный уровень продукции белка PD-1L, ответственного за супрессию противоопухолевого клеточного иммунитета. Продукция PD-1L индуцируется в mregDC сигналом от рецепторной тирозинкиназы AXL. Активация mregDC, связанная с распознаванием опухолевых антигенов происходит на фоне повышения продукции IL-12 и зависит от сигнала, передаваемого гамма-интерфероном. Последний негативно регулируется сигнальным каскадом с участием IL-4. Блокировка IL-4 каскада активирует mregDC, что приводит к инфильтрации в опухоль T-лимфоцитов и к ее регрессии. Авторы считают, что обнаруженный механизм блокировки активности дендритных клеток может быть хорошей мишенью при терапии ингибиторами контрольных точек.

Биохимия и физиология

9. Изучение сигнальных путей, ферментативных каскадов и других процессов в организме нуждается в обобщении. В журнале Science Signaling рассказывается о создании подробного атласа метаболических путей человека. Анализ молекулярных взаимосвязей на постгеномном уровне создает объемную картину метаболизма. Атлас доступен в Интернете и позволяет рассматривать отдельные группы реакций как на уровне ферментативных цепочек, так и в разрезе клеточных компартментов.

Микробиология

10. Создание антибактериальных вакцин зачастую бывает неординарной задачей, и это направление наконец-то начало выходить из тени. Не так давно была получена первая противотуберкулезная вакцина, характеризующаяся заметно лучшей по сравнению с ранее испытанными кандидатами эффективностью. Теперь в свежем номере JCI Insight опубликованы обнадеживающие результаты анализа иммунного ответа у добровольцев, индуцированного живой коклюшной вакциной. Вакцинный штамм, аттенуированный путем направленных изменений в геноме возбудителя коклюша, индуцировал гуморальный и клеточный иммунитет, а также клеточную память у добровольцев. Существующие убитые коклюшные вакцины высокореактогенны и малопригодны для иммунизации взрослых, а субъединичные вакцины не обеспечивают достаточно напряженный иммунный ответ, в особенности против бессимптомной колонизации патогеном. В последние годы вспышки коклюша наблюдаются повсеместно, в том числе и в странах с высоким уровнем вакцинопрофилактики. Новая живая вакцина, находящаяся на II стадии клинических испытаний, может решить эту проблему.

11. Одна из причин того, что некоторые инфекции не удается искоренить, — бессимптомная персистенция патогенов. Например, возбудитель менингита Neisseria meningitidis, несмотря на наличие эффективных менингококковых вакцин, персистирует в популяции, асимптоматично колонизируя организм подростков и молодых взрослых. Авторы работы в mBio проанализировали результаты полногеномного секвенирования геномов менингококков и обнаружили высокий уровень мутабильности. Хотя уровень de novo мутаций был в целом не очень высоким, обнаружились признаки многочисленных актов горизонтального переноса генов, гипермутабильность простых повторов и гиперрекомбинация генов, кодирующих пили. Основная вариабельность была связана с локальной гипермутабильностью (например, в случае пилей, рекомбинациями между основной копией гена и многочисленными «молчащими» копиями), так и с горизонтальным переносом (в первую очередь генов других штаммов менингококков). Горизонтальный перенос наблюдался у 16% носителей и затрагивал 51% всех вариабельных, но не гипермутабильных генов. В результате наиболее изменчивыми оказывались гены, кодирующие внешние белки (адгезины, пили, другие белки мембраны патогена). Такая гипервариабельность способствует уклонению патогена от распознавания иммунной системой хозяина. Полученные данные, по мнению авторов, внесут вклад в разработку методов предотвращения распространения патогена.

12. Если значение бактерий-патогенов хорошо понятно, то реальная роль симбиотических микроорганизмов человека стала вырисовываться относительно недавно. Авторы статьи, опубликованной в Cell Reports, не просто изучали микробиом верхней части языка человека, но составляли карту распределения микроорганизмов с высокой степенью разрешения. Они секвенировали метагеном микробиоты языка и на основе данных секвенирования сконструировали специальные флуоресцентные пробы. Эти пробы использовали для анализа биопленок, покрывающих различные компартменты и типы тканей поверхности языка. Полученные флуоресцентные микрофотографии синтезировали и накладывали на макроструктуры эпителия поверхности языка. Исследование выявило сложные структуры, в которых одни виды микроорганизмов закономерно сменялись другими, образуя бляшки, обогащенные конкретным видом бактерий. Подобные исследования сейчас имеют в основном описательный характер, однако не исключено, что с развитием технологий и накоплением данных анализ пространственной организации симбиотических бактерий человека получит практическую значимость.

13. Взаимоотношения между осой, паразитирующей на некоторых видах двукрылых, и бактериями у нее в кишечнике далеки от классического симбиоза, хотя существенного вреда самой осе эти гаммапротеобактерии не приносят. Вместе с тем бактерии убивают большую часть самцов в яйцах ос, в связи с чем получили название «son-killer parasite». Таким образом бактерия увеличивает ту часть популяции хозяина, которая способна к ее распространению, в данном случае путем откладки яиц. В работе, опубликованной в mBio, авторы продемонстрировали эффективность метода высокопроизводительного секвенирования длинных (до 20 Kb) фрагментов ДНК для геномов, содержащих большой процент ДНК бактериофагов. Так, геном Arsenophonus nasoniae содержит 55 профагов различной степени целостности, а также 17 экстрахромосомных элементов. В целом фаговая ДНК занимает 43% генома паразита. Использование классического высокопроизводительного секвенирования не позволяло осуществить точную сборку хромосомы и экстрахромосомной ДНК бактерии, а совместное применение секвенаторов PacBio и Oxford Nanopore, «читающих» фрагменты от 4 до 20 Кb, решило эту задачу. Исследованный геном оказался самым богатым профагами из всех изученных бактериальных геномов. Обилие у A. nasoniae генетических элементов, обеспечивающих горизонтальный перенос генетической информации, по мнению авторов, является следствием паразитического образа жизни, подразумевающего эволюционную подстройку к хозяину и взаимодействие с широким спектром других бактерий, населяющих кишечник паразитической осы.

Физиология

14. Кишечник животного — один из барьеров между внутренней средой организма и окружающей средой. Дисфункция этого барьера вкупе с хроническим воспалением кишечника играют значительную роль в старении организма. Щелочная фосфатаза каёмчатого эпителия кишечника ингибирует воспаление, является фактором микробного гомеостаза и функционирования кишечного барьера. В исследовании, опубликованном в JCI Insight, предложена гипотеза о том, что щелочная фосфатаза может тормозить старение. Мыши, дефицитные по данному ферменту, демонстрировали выраженные признаки нарушения кишечного барьера и ускоренное старение. Такие же мыши, получавшие фосфатазу перорально, имели увеличенную продолжительность жизни, более эффективный кишечный барьер и меньшие возрастные изменения по сравнению с контрольной группой. Кормление фосфатазой также поддерживало гомеостаз кишечной микробиоты. Аналогичный эффект от дополнительной фосфатазы наблюдался и у дрозофил. По мнению авторов, кишечная щелочная фосфатаза может использоваться в терапии нарушений и хронического воспаления кишечника у пожилых людей.

Диагностика

Рак толстой кишки является весьма распространенной патологией, но, в отличие от многих других новообразований, может быть предотвращен ранней диагностикой с использованием колоноскопии. Однако это достаточно сложная и дорогая процедура, поэтому велик интерес к альтернативным неинвазивным методам скрининга. Компания InterVenn разработала методику диагностики, основанную на анализе спектра гликоформ белков, получаемых из образцов крови. Контрольные исследования показали, что метод позволяет детектировать как ранние стадии рака, так и предраковые аденомы со специфичностью 98% и чувствительностью 91% и 85% соответственно. Этот результат, который разработчики называют «беспрецедентным», способен значительно упростить первичный скрининг пациентов и повысить качество профилактики и лечения этого вида злокачественных опухолей.