Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 29 ноября — 5 декабря

Нейронауки

1. Исследования циркадных ритмов часто проводятся на ночных животных — лабораторных мышах и крысах, что затрудняет перенос выявленных закономерностей на человека. Исследователи из Великобритании и США решили проверить, есть ли различия в данных, получаемых для ночных и дневных животных. В качестве объекта они выбрали полосатую полевую мышь (Rhabdomys pumilio) и проанализировали электрическую активность нейронов супрахиазматического ядра. В целом паттерны активности нейронов в дневное и ночное время совпадали с таковыми для ночных животных, однако нашлись и отличия. Так, после электрического ингибирования спонтанной активности некоторые нейроны восстанавливались с заметной задержкой, чего не наблюдалось ранее для клеток ночных животных. В ходе более детального исследования выяснилось, что за эту задержку отвечают калиевые каналы типа А. Их повышенная проводимость, на которую указывают результаты математического моделирования, может быть адаптацией дневных видов к их образу жизни.

2. Многие межклеточные взаимодействия в ЦНС осуществляются за счет высвобождения везикул с нейротрансмиттерами. До сих пор их изучение осложнялось отсутствием инструментов для быстрого контроля этого процесса. Ученые из Южной Кореи решили эту проблему, разработав оптогенетическую молекулярную ловушку для везикул, выходящих из нейронов — Opto-vTrap. Ловушка доставляется в клетки с помощью вирусного вектора, активируется синим светом и способствует кластеризации везикул, основанной на взаимодействии белка ловушки CRY2 и белка CIBN везикул. Облучение в течение одной минуты приводит к полному ингибированию экзоцитоза с последующим восстановлением в течение 30 минут после отключения света. Авторы протестировали Opto-vTrap на переживающих срезах головного мозга животных, а также выявили нарушения гиппокамп-опосредованной памяти при активации ловушки in vivo с последующим восстановлением в течение трех часов. Ранее существовавшие методы были основаны на слиянии везикул, и эффект от их применения исчезал спустя 24 часа. Кластеры везикул, полученные при помощи Opto-vTrap, распадаются через 15 минут, что больше подходит для поведенческих экспериментов с ограничениями по времени. По словам авторов, Opto-vTrap может применяться не только в нейронах, но и в других типах клеток мозга.

3. Субпопуляции микроглии, несущие мутацию R47H в гене триггерного рецептора миелоидных клеток 2 (Triggering receptor expressed on myeloid cells 2, TREM2), обеспечивают повышенный уровень воспаления и участвуют в патогенезе болезни Альцгеймера. Помочь при развивающихся симптомах может противоопухолевый препарат для противоопухолевой терапии MK-2206, уже проходящий клинические испытания по прямому назначению. Ученые вывели линию мышей с признаками таупатии и мутацией R47H в TREM2, ассоциированной с повышенным риском позднего развития болезни Альцгеймера, и показали, что мутация усугубляет нарушение памяти, связанное с формированием бляшек тау-белка. TREM2 участвует в сигналинге протеинкиназы B (AKT). Транскриптомный анализ единичных клеток мозга мышей выявил апрегуляцию синтеза противовоспалительных цитокинов и активацию AKT-зависимых сигнальных путей. Ингибирование AKT при помощи препарата MK-2206 приводило к исчезновению кластера микроглии, ассоциированной с заболеванием, и предотвращало деградацию синапсов в мозге мышей. Мутация R47H консервативна у мыши и человека. Авторы предполагают, что MK-2206 в перспективе может быть использован для лечения болезни Альцгеймера.

4. Головной мозг потребляет больше питательных веществ, чем любой другой орган. Нейроны расходуют АТФ даже в состоянии покоя. Ученые из Медицинского колледжа Вейл Корнелл обнаружили путь утечки энергии при загрузке нейротрансмиттеров в синаптические везикулы: транспортеры, обеспечивающие быструю загрузку нейротрансмиттеров, при малейших флуктуациях могут пропускать выходящие протоны. Отток протонов компенсируют протонные помпы, встроенные в мембраны везикул и активно расходующие АТФ. Ученые показали, что на этот процесс уходит до 44% энергии нейрона в спокойном состоянии. Такая утечка вносит огромный вклад в уязвимость мозга к перебоям в снабжении питательными веществами, приводящую к ухудшениям когнитивных функций. По мнению авторов, способ безопасного снижения этой утечки и замедления метаболизма головного мозга мог бы иметь большое клиническое значение.

Терапия рака

5. Когортное исследование, проведенное на пациентах с глиобластомой, позволило выявить биомаркер, который предсказывает эффективность иммунотерапии. В настоящее время данный тип лечения не применяется для терапии глиобластом, так как отсутствуют данные о том, в каких случаях он может быть эффективен. Авторы статьи, опубликованной в Nature Cancer, показали, что фосфорилирование киназ ERK1/2, свидетельствующее об активации MAPK/EPK пути, позволяет прогнозировать общую выживаемость после адъювантной блокады PD-1. Также они выявили присутствие проникающих в опухоль миелоидных клеток и микроглиальных клеток с повышенной экспрессией генов главного комплекса гистосовместимости II в глиобластомах с повышенным уровнем фосфорилирования ERK1/2. Авторы предполагают, что их результаты позволят увеличить продолжительность жизни 20–30% пациентов с глиобластомами.

6. Добавление всего одного вида бактерий в микробиом толстого кишечника может существенно повысить эффективность борьбы иммунной системы с колоректальным раком. Исследование, опубликованное в Immunity, показало, что колонизация кишечника мышей бактериями Helicobacter hepaticus способствует снижению количества и размера опухолей и увеличению средней продолжительности жизни. Эти бактерии стимулируют CD4+ фолликулярный Т-хелперный и B-клеточный противоопухолевый иммунитет, способствуя инфильтрации иммунных клеток в ткани опухоли и формированию третичных лимфоидных органов на их границе. «Мы должны задумываться обо всем, с чем сталкиваются пациенты изо дня в день, и что может привести к успешному или неудачному исходу лечения, — говорит первый автор работы Эбигейл Оверакре-Делгоффе, постдок в отделе педиатрии Университета Питтсбурга (США). — Мы не можем больше игнорировать бактерии – они влияют на все».

Вирусы и вакцины

7. Главный регулятор транскрипции Т-хелперов 17 RORC2 может способствовать персистенции ВИЧ-1 в организме. В ходе совместного исследования ученые из Канады и Великобритании показали, что RORC2 промотирует транскрипцию вирусных генов, связываясь с их длинными концевыми повторами. Фармакологическое ингибирование RORC2 при помощи малых молекул предотвращало репликацию вируса в CD4+ T-клетках здоровых доноров и существенно снижало распространение вируса в клетках ВИЧ-положительных доноров, получающих антиретровирусную терапию. Результаты работы также косвенно объясняют различия резервуаров ВИЧ у женщин и мужчин: ядерные рецепторы эстрогена 1 (estrogen receptor 1, ESR-1) также способны связываться с длинными концевыми повторами вирусных генов. Известно также, что эстроген в целом ингибирует дифференциацию Т-хелперов 17 и секрецию интерлейкина-17. Авторы статьи отмечают, что было бы интересно проверить, конкурируют ли ESR-1 и RORC2 за связывание с длинными концевыми повторами вирусных генов.

8. Для усиления иммунного ответа на вакцину часто используются адъюванты. Одними из таких адъювантов, одобренных FDA, являются сапонины — класс веществ, способных формировать наночастицы, называемые иммуностимулирующими комплексами. В статье, опубликованной на этой неделе в Science Immunology, описан вариант сборки комплексов сапонинов с фосфолипидами в присутствии монофосфориллипида А (MPLA) — агониста Toll-подобного рецептора 4. Связывание MPLA с рецептором стимулирует развитие воспаления: авторы вводили мышам антигены ВИЧ, дифтерии и гриппа с полученным комплексом, чтобы сравнить его действие с действием других одобренных адъювантов. Новый комплекс способствовал выработке существенно более высоких уровней антител. Исследователи надеются, что разработка позволит повысить эффективность вакцины от ВИЧ, проходящей сейчас клинические испытания.

Метаболизм

9. Группа ученых из США описала популяцию аутореактивных клеток, участвующих в развитии сахарного диабета 1 типа. При этом заболевании возникает популяция CD8+ T-киллеров, распознающих и уничтожающих бета-клетки поджелудочной железы. Проследив судьбу этих Т-киллеров, ученые выявили популяцию стволовых аутоиммунных предшественников в дренирующем лимфоузле поджелудочной железы. Эти предшественники давали начало аутоиммунным медиаторам, заселявшим ткани поджелудочной железы, где они проходили дальнейшие стадии дифференцировки. Получившиеся на конечном этапе Т-киллеры оказывались способны уничтожить всего несколько бета-клеток, после чего умирали, а на их место мигрировали новые аутоиммунные медиаторы. Трансплантация всего 20 стволовых аутоиммунных предшественников здоровым мышам вызывала развитие диабета 1 типа, в то время как даже 100 000 аутоиммунных медиаторов не приводили к такому эффекту. Результаты исследования опубликованы в Nature и, по словам авторов, могут способствовать не только развитию новых подходов к терапии аутоиммунных заболеваний, но и разработке иммунотерапии рака. (Подробнее — на PCR.NEWS.)

10. Жизнь современного человека сложно представить без пластика, однако химические вещества, входящие в состав некоторых пластмасс, могут быть опасны для здоровья. Например, распространенный пластификатор дициклогексил фталат, как показало недавнее исследование, может приводить к повышению уровня холестерина и синтеза церамидов у мышей. Ученые выяснили, что это вещество является мощным агонистом рецептора прегнана X (pregnane X receptor, PCR), активация которого приводит к стимулированию экспрессии кишечных генов, отвечающих за липогенез. Такие изменения липидома, по словам авторов, сопряжены с повышенным риском развития сердечно-сосудистых заболеваний.

Молекулярная диагностика

11. Секвенирование нового поколения может сделать мониторинг минимальной остаточной болезни в костном мозге у пациентов с острым лимфобластным лейкозом более точным и позволит предсказывать рецидив заболевания после CAR-T-клеточной терапии на более ранних стадиях. Авторы статьи, опубликованной в Blood Cancer Discovery, работали с образцами крови и костного мозга пациентов, полученные на 1, 3, 6, 9 и 12 месяце после терапии. Они сравнили NGS с классическим методом, применяемым для оценки вероятности рецидива, — проточной цитометрией. Статистический анализ показал, что цитометрия позволяла выявить около половины случаев, и медианный срок до подтверждения диагноза составлял 52 дня. NGS увеличивало медианный срок до выявления первых признаков рецидива до 168 дней и повышало точность до 100%. Раннее выявление рецидивов позволит своевременно подобирать дополнительную терапию и более эффективно предотвращать прогрессирование заболевания.

Искусственный интеллект

12. Искусственный интеллект и машинное обучение широко используются в научных исследованиях: от анализа изображений и до предсказания конформаций белковых цепей. В работе, опубликованной в Nature, авторы изучили потенциал применения алгоритмов глубокого обучения для создания совершенно новых, не существующих в природе белковых структур. Они генерировали случайные последовательности аминокислот и загружали их в нейросеть для предсказания конформации по алгоритму trRosetta, а затем вносили мутации, пока прогноз нейросети не подтверждал стабильность полученной структуры. Таким образом нейросеть «выдумала» (авторы используют слово hallucinated) 2 000 новых структур. Ученые наработали 129 из них in vitro, используя синтетические гены; 27 синтезированных белков обладали спектрами кругового дихроизма, согласующимися с «выдуманной» структурой, а три были исследованы отдельно при помощи ЯМР и РСА. Экспериментальные данные достаточно точно совпадали с результатами моделирования. По словам авторов, новый подход позволит существенно облегчить разработку новых белков, не растрачивая время на анализ фолдинга аналогичных последовательностей и фокусируясь преимущественно на функционально значимых участках.

Молекулярное картирование

13. Новый метод анализа транскриптомных данных позволит не только существенно повысить разрешение получаемых карт экспрессии, но и предсказывать пространственное распределение экспрессии генов на основе гистологических изображений. Подход, разработанный международной группой исследователей, совмещает анализ гистологических изображений высокого разрешения, в основном, полученных при помощи окрашивания гематоксилином и эозином, с результатами РНК-секвенирования in situ. Точность метода проверили на синтетических картах экспрессии: классификация пикселей на траскрипционные подтипы с использованием эталонных изображений осуществлялась с практически идеальной точностью. Также высокая точность (95%) была достигнута при анализе данных карт, полученных для мышиной обонятельной луковицы, а предсказательная способность метода была протестирована на данных картирования тонкого кишечника человека и других датасетах. Метод реализован на PyTorch и Pyro. Код доступен по лицензии MIT в репозитории GitHub.

14. Метод картирования на более низком уровне разработали ученые из Швейцарии. Они исследовали распределение белков по поверхности клетки при помощи мечения отдельных молекул фотосенсибилизаторами. Облучение такой молекулы приводит к генерации синглетного кислорода, который окисляет белки в непосредственной близости от метки. После этого проводится масс-спектрометрический и статистический анализ, что позволяет построить карту на основании оценки расстояния между окисленными молекулами. Описанный в Nature Communications метод позволит не только изучать изменения в распределении молекул на поверхности клеток при различных патологиях, но и, как показали авторы, исследовать взаимодействия вирусов или лекарств с клетками. Кроме того, фотоиндуцируемые метки помогут определить, какие молекулы участвуют в межклеточных взаимодействиях. Авторы продемонстрировали это на примере иммунных клеток, полученных от мышей.