Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 5–11 апреля (без коронавируса)

Онкология

1. Новое исследование от проекта PCAWG проливает свет на источники и драйверы опухолевой гетерогенности. С помощью шести методов анализа числа копий и одиннадцати методов субклональной реконструкции, ученые проанализировали 2 658 образцов, представляющих 38 типов опухолей. Команда обнаружила субклональные популяции в 95,1% образцов. За исключением некоторых специфических случаев, мутационные процессы, отвечающие за эволюцию опухоли, сохраняются на протяжении болезни, хотя активность того или иного процесса может со временем меняться. Более того, данные свидетельствуют о том, что клетки рака подвергаются селекции и на ранних, и на поздних стадиях развития опухоли. При этом эволюция на поздних этапах развития чаще обусловлена изменением в числе копий, а не однонуклеотидными заменами.

2. Мутации в протоонкогене KRAS часто встречаются при раке легкого, толстой кишки и поджелудочной железы. Они нарушают нормальную ГТФазную активность белка и приводят к хронической активации сигнальных путей RAS-MAPK и росту опухоли. Ковалентные ингибиторы мутантной формы KRAS G12C фиксируют белок в неактивной конформации, и блокируют патологический ростовой сигнал и приводят к уменьшению опухоли, однако опухоль может перестать отвечать на лечение. Чтобы охарактеризовать формирование устойчивости этим препаратам, ученые из США проанализировали циркулирующую внеклеточную ДНК у пациента с рецидивом рака легкого. Оказалось, что вновь возникшая опухоль состоит из как минимум десяти различных клонов, в каждом из которых новые мутации реактивировали сигнальную ось RAS-MAPK. Ученые обнаружили мутации в других генах оси (NRAS, BRAF и MAP2K1), вторичную мутацию Y96D, препятствующую связыванию с ингибитором, и другие. Последующие эксперименты на клетках, полученных от пациента, показали, что ингибиторы нового поколения работают и на KRAS с двойной мутацией G12C/Y96D.

3. Рак груди с мутациями в генах BRCA1 и BRCA2, контролирующих репарацию ДНК, особенно чувствительны к лечению препаратами, ингибирующими PARP. Ингибиторы PARP тоже компрометируют репарацию ДНК, так что клетки с дефектным BRCA погибают в результате так называемой синтетической летальности. Ученые из Института Френсиса Крика (Великобритания) провели полногеномный скрининг в гаплоидных клетках лейкемии, чтобы найти гены повышенной чувствительности или устойчивости к ингибитору PARP олапарибу. Гены DNPH1 и ITPA, участвующие в метаболизме нуклеотидов, повышали цитоксичность олапариба. Последующие эксперименты показали, что DNPH1 работает как нуклеотидный «санитар», элиминирующий цитотоксический 5-гидроксиметил-дезоксиуридин монофосфат (hmdU). Излишек hmdU устраняется урацил-ДНК-гликозилазой SMUG1. В результате возникают апуриновые/апиримидиновые сайты, ведущие к коллапсу репликационных вилок и последующим разрывам ДНК с повышением нагрузки на системы репарации. Модифицированный нуклеотид 5-гидроксиметилдезоксицитозин (hmdC), который дезаминуется в hmdU ферментами TET, и инактивация DNPH1 возвращают резистентным клеткам с мутацией BRCA чувствительность к ингибиторам PARP.

Иммунные клетки и микробиом кишечника

4. Желчные кислоты необходимы для нормального пищеварения, но токсичны для клеточных мембран. И в энтероцитах, и в гепатоцитах гомеостаз желчных кислот регулируется ядерными рецепторами. Чтобы определить, каким образом иммунные клетки кишечника избегают желчной токсичности, ученые из США инактивировали все 49 известных ядерных рецепторов в мышиных T-клетках с помощью РНК-интерференции. Выяснилось, что специализированные CD4+ Т-клетки кишечника регулируют гомеостаз желчных кислот с помощью ксенобиотического ядерного рецептора CAR (кодируется геном Nr1i3), контролирующего экспрессию транспортера MDR1. Активация CAR стимулирует масштабные изменения в транскрипционной программе, но только в эффекторных Т-клетках тонкого кишечника. Помимо индукции регуляторных ферментов и транспортеров, перепрограммированные Т-клетки секретировали ключевой противовоспалительный цитокин IL-10. У мышей без CAR в Т-клетках развивался воспалительный илеит, сходный по признакам с болезнью Крона у людей. Назначение фармакологического препарата, секвестрирующего желчные кислоты, исцеляло илеит у мышей. Возможно, функцию CAR нужно регулировать при лечении болезни Крона.

5. У детей с тяжелой формой недоедания нарушения микробиома препятствуют восстановлению нормального роста и развития. Новое клиническое исследование, проведенное в Бангладеш, базируется на экспериментальных данных о коррекции микробиома для лечения последствий недоедания, полученных ранее. Команда ученых разработала формулу лечебного питания на основе нута, арахиса, банана и сои, оказывающую положительный эффект на кишечную флору в гнотобиотических моделях, и сравнила новую формулу с обычной формулой из риса и бобов на когорте из 118 детей с умеренным острым недоеданием. После трех месяцев лечения и последующего месячного наблюдения ростовесовые показатели детей, получивших новую формулу, говорили о том, что ее питательный эффект превосходит эффект от стандартной диеты. Более того, изменения в содержании 70 различных факторов роста для костей, мозга и иммунной системы были выше в плазме крови у детей, получивших новое лечение. Из 209 исследованных вариантов кишечных микроорганизмов 23 ассоциировались с ростовесовыми показателями.

Биосенсор для визуализации ауксина

6. Фитогормон ауксин, метаболит триптофана, запускает в растениях различные процессы развития и необходим для взаимодействия с окружающей средой. Чтобы лучше оценить динамику перераспределение ауксина в тканях и оценить его внутриклеточные резервы, ученые Германии модифицировали триптофановый репрессор E. coli в специфичный и чувствительный сенсор AuxSen. Связывание гормона с димером сенсорной молекулы приводит к изменению ее конформации. что вызывает обратимую активацию флуоресцентной метки. Ученые трансформировали Arabidopsis конструктом, кодирующим AuxSen, и показали, что сенсор позволяет распознавать in vivo процессы усвоения и распределения ауксина.

Транскриптомы клеток растущего листа

7. Группа из Стэнфордского университета (США) секвенировала РНК более 20 000 клеток растущего листа Arabidopsis thaliana и провела сравнительный анализ их характеристик для изучения динамики формирования устьиц. Чтобы все типы клеток — клетки устьиц, а также сосудистые, мезофильные и эпидермальные клетки — были представлены в равной степени, их изолировали с помощью проточной цитометрии. Транскриптомный анализ показал, что сосудистые и мезофильные ткани имеет общее происхождение. Последующий анализ обозначил гены, соответствующие старту и завершению дифференцировки, и обнаружил размытые границы экспрессии фактора, считавшегося ключевым в формировании клеток устьиц. Авторы высказали предположение, что формирование того или иного типа клеток эпидермиса из общего предшественника происходит стохастически, а не путем «накопления дифференцировочного потенциала».

Молекулярная биология

8. Ядерные спеклы — это эпигенетические структуры, соответствующие участкам активной экспрессии. Они содержат суперэнхансеры, белки и РНК, участвующие в транскрипции, сплайсинге и полиаденилировании. Транслокация в спеклы участков генома, кодирующих активные гены, свидетельствует об их роли в генной регуляции. Ученые из США показали, что транскрипционный фактор p53 непосредственно отвечает за вовлечение в спеклы многих, хотя не всех, регулируемых им генов: 7 из 11 классических мишеней p53 перемещаются в спеклы при активации транскрипционного фактора. Эти наблюдения позволяют предположить, что p53 использует регулируемую ассоциацию генов с ядерными спеклами в качестве механизма усиления экспрессии генов.

9. Мобилизация транспозонов, составляющих значительную часть эукариотического генома, грозит нарушениями геномной целостности. Исследователи из Института Грегора Менделя (Австрия) с коллегой из Японии сосредоточились на роли DDM1 — комплекса, ремоделирующего хроматин, — в подавлении транспозиции в соматических клетках растения Arabidopsis. Выяснилось, что DDM1 связывается с гистоном H2A.W и непосредственно отвечает за укладку этого гистона в участки гетерохроматина. Два консервативных домена в структуре DDM1 отвечают за взаимодейстивие с H2A.W и за подавление экспрессии белковых элементов, отвечающих за мобилизацию транспозонов. Благодаря специфическим особенностям этого гистонового варианта, нуклеосомы, ремоделированные DDM1, не несут меток активного хроматина. У млекопитающих контроль за транспозонами осуществляется ортологами DDM1 — LSH и HELLS. Недавно было показано, что активность LSH связана с укладкой варианта macroH2A. Возможно, механизм укладки гетерохроматиновых вариантов H2A консервативен у растений и млекопитающих.

Неврология

10. Созревание синаптических контактов в мозге — важный этап формирования функционального органа. Ученые из США проследили, экспрессия каких микроРНК активируется на этом этапе в мышином мозге. Они обнаружили, что на последних стадиях созревания экспрессия всех трех представителей семейства микроРНК miR-29 повышается в 50–70 раз. Дальнейшие исследования на мышах без miR-29 в нестин-экспрессирующих клетках показали, что функция miR-29 состоит в прекращении периода CH-метилирования (метилирования вне CpG-динуклеотидов). Специфические мутации в miR-29, предотвращающие связывание с метилтрансферазой Dnmt3a, приводят к увеличению экспрессии последней, повышенному CH-метилированию и подавлению экспрессии генов, связанных с нейронной активностью. Мыши с дефектом в miR-29 рождаются нормальными, но затем демонстрируют прогрессирующее неврологическое расстройство, приводящее к ранней смерти.

11. Ген DYRK1A кодирует серин-треониновую киназу, которая экспрессируется в тканях мозга зародыша. Ранее варианты DYRK1A связали с различными дефектами развития, в том числе аутизмом и синдромом Дауна. Команда из Института Скриппса во Флориде (США) изучила последствия потери этого гена в Emx1-экспрессирующих клетках мозга у мышей и описали глубокие нейродегенеративные изменения и появление признаков аутизма у мутантов. Потеря Dyrk1a в клетках коры мышиного мозга связано с уменьшением объема нервных клеток, сокращению синаптических контактов и микроцефалии. Анализ фосфопротеома пораженных нейронов определил, что отсутствие Dyrk1a приводит к дерегуляции двух сигнальных каскадов, TrkB-BDNF и mTOR. Искусственная стимуляция mTOR путем инактивации его негативного регулятора, опухолевого супрессора Pten, или назначение инсулиноподобного фактора IGF-1, также воздействующего на mTOR-сигналинг, во время внутриутробного развития предотвращали микроцефалию и дегенеративные изменения в нейронах новорожденных мышат.

12. В процессе раннего созревания мозга существуют критические периоды для перестройки и «настройки» нейронных связей. Если процессы перестройки затягиваются, это приводит к нарушениям мозговой функции. Ученые из США исследовали гомеостатическую пластичность в моторной коре дрозофилы, представленную изменениями в размерах дендритов, количестве синапсов и их активности, с помощью оптогенетики. Оказалось, что критический период для развития моторной коры — первые восемь часов после вылупления мушки. При отсутствии астроцитов продолжительность пластичного периода увеличивалась. Эксперименты с РНК-интерференцией определили, что ген Nrx-1, кодирующий белок нейрексин, работает рецептором для Nlg2 (белок семейства нейролигинов у мышей) астроцитов и участвует в контроле за продолжительностью критического периода. Расшифровка этого механизма может дать ключ к активации пластичности для предотвращения или лечения нейродегенеративных процессов.