Воскресное чтение. Обзор научной периодики за 7–13 декабря (без коронавируса)

Молекулярная биология

1. Ученые из Великобритании показали, как рост мышц зависит от циркадных ритмов на молекулярном уровне. Они анализировали рост мускулатуры у личинок рыбок данио-рерио. Личинки прозрачные, все их клетки доступны свету, поэтому на них удобно изучать циркадные изменения. К тому же личинки легко заставить перестать двигаться и они не едят 5 дней после оплодотворения, так что разницу в питании и движении можно исключить. Было показано, что мышцы рыбок растут быстрее в дневной период, чем в ночной. У личинок, экспрессирующих ΔCLK, который ингибирует молекулярные часы, разница исчезает и рост мышц замедляется. Уровень экспрессии маркеров деградации протеина murf мРНК выше по ночам. Ингибиторы протеасом повышают темп роста мускулатуры по ночам, независимо от физической активности, но не влияют на дневной рост. Ингибитор TORC1 рапамицин снижает темп роста мышц днем, но не ночью. Таким образом, анаболизм происходит днем, в активное время, а катаболизм ночью. Если поместить рыбку в условия постоянного мрака или постоянного освещения, то мышцы будут расти хуже, чем при нормальных условиях. Авторы заключили, что рост мышц изменяется с циркадными ритмами, независимо от уровня подвижности и питания. Пока неясно, можно ли перенести полученные выводы на млекопитающих.

2. Ученые из Италии и Швейцарии рассматривали подавление экспрессии генов после транскрипции с помощью микроРНК. Они использовали цитоплазматические длинные некодирующие РНК (днкРНК). Работа проводилась на мышиных эмбриональных стволовых клетках. Несмотря на то, что днкРНК взаимодействовали с РНК-индуцируемым комплексом выключения гена, связанным с микроРНК, скорость распада днкРНК почти не зависела от снижения числа микроРНК при потере функции рибонуклеазы DICER. Следующим этапом днкРНК были клонированы после стоп-кодона гена, кодирующего флуоресцентный белок. Полученный конструкт был трансфецирован в клетки дикого типа и в клетки с пониженным числом микроРНК. Гибридный белок экспрессировался намного сильнее в клетках с пониженным числом микроРНК, а значит, он подвергался микроРНК-зависимой дестабилизации. Те несколько природных днкРНК, чей уровень регулируется микроРНК, были ассоциированы с рибосомами и, возможно, были неверно аннотированы как некодирующие. На основании полученных данных можно заключить, что процесс трансляции неотрывно связан с микроРНК-зависимой дестабилизацией транскрипта.

Онкология

3. Хроническое воспаление в кишечнике может привести к развитию рака. Ученые из Израиля, Великобритании и США изучали изменения в микросреде колоректального рака, ассоциированного с язвенным колитом, особое внимание уделяя изменению организации внеклеточного матрикса. Было показано, что фактор теплового шока 1 (heat shock factor 1, HSF1) играет ключевую роль в ранних изменениях структуры и состава внеклеточного матрикса. Потеря HSF1 в клеточной линии мышиных эмбриональных фибробластов останавливает отложение внеклеточного матрикса под действием среды, в которой росли раковые клетки. В мышиной модели потеря HSF1 предотвращает ремоделирование внеклеточного матрикса под действием воспаления и ингибирует развитие колоректального рака, ассоциированного с язвенным колитом. У пациентов с этим заболеванием наблюдался фиброз и высокий уровень HSF1 в ядрах раковых клеток и фибробластов. Таким образом, HSF1-зависимое ремоделирование внеклеточного матрикса играет ключевую роль в развитии колоректального рака при хроническом воспалении.

4. Ученые из США разработали модель для изучения процесса метастазирования. Они навешивали на человеческие раковые клеточные линии молекулярные штрих-коды и вводили их в мышиную модель единым пулом. Это позволяло определять метастазирующий потенциал опухолевых клеток в мышиных ксенографтах, не вводя клеточные линии по одной. Пилотное исследование было проведено на линиях рака молочной железы. Каждая клеточная линия экспрессировала 26-нуклеотидный штрих-код совместно с люциферазой и GFP или mCherry. Через пять недель после ввода клеточных линий в мышь клетки метастазов в различных органах были отсортированы, а штрих-коды были считаны РНК-секвенированием. У каждой клеточной линии был свой паттерн распространения, при этом от мыши к мыши он почти не менялся. После этого метод был проверен на 503 клеточных линиях, которые представляют 21 тип опухолей. Была составлена карта Metastasis Map (MetMap), которая показывает органоспецифическую модель метастазирования. Было подробно изучено метастазирование в мозг клеточных линий рака молочной железы и роль липидного метаболизма в этом процессе.

Модель эмбриогенеза

5. Для изучения раннего эмбрионального развития используют эмбриоиды — трехмерные системы из мышиных эмбриональных стволовых клеток. Самой продвинутой моделью постимплантационного развития считались гаструлоиды, продолговатые структуры со всеми тремя зародышевыми листками, но без правильного морфогенеза. В своей работе ученые из Германии и США использовали матригель (Matrigel) для имитации внеклеточного матрикса. Встраивание 96-часовых гаструлоидов в 5% матригель приводило к образованию хоботоподобных структур с нервной трубкой и двусторонними сомитами, обладающих эмбрионоподобной переднезадней полярностью. Высокий уровень самоорганизации сопровождался накоплением матричного белка фибронектина и повышением экспрессии интегринов и других белков для молекулярной адгезии. Секвенирование РНК единичных клеток показало, что эти структуры следовали тем же регуляторным программам, что и эмбрионы, экспрессируя критические регуляторы развития в нужном месте в нужное время. Химическая модуляция сигнальных путей WNT и BMP, активных в развивающемся мышином эмбрионе, приводило к образованию избытка сомитов, которые были организованы как кисть винограда. Нокаут Tbx6 приводил к образованию эктопических нервных трубок без образования сомитов, что соответствует эмбриональному фенотипу такой мутации. Таким образом, использование матригеля позволило получить более высокоорганизованные структуры, пригодные для изучения эмбриогенеза на молекулярном уровне.

Диагностика

6. Компании Illumina и Harvard Pilgrim Health Care объявили во вторник о подписании соглашения о разделении рисков, которое позволит педиатрическим пациентам, подпадающим под определенные критерии, получить доступ к полногеномному секвенированию с 1 января 2021 года. Если расходы Harvard Pilgrim на генетическое тестирование превысят определенный лимит, Illumina возместит расходы до определенного предела. Финансовые детали не разглашаются. Компании будут анализировать результаты совместно и опубликуют статью с оценкой данных, как покрытие страховкой полногеномного секвенирования повлияло на качество лечения пациентов и на расходы. Это соглашение позволит Illumina продемонстрировать пользу применения полногеномного секвенирования в каждодневной медицинской практике, а Harvard Pilgrim — предоставить дополнительные услуги без роста стоимости для застрахованных пациентов.

Вакцина от гриппа

7. Вакцины против гриппа, как правило. специфичны к определенному штамму и способствуют выработке антител к вариабельной голове гемагглютинина. Ученые из США, Бельгии и Италии представили окончательные результаты фазы 1слепого рандомизированного клинического испытания с контролем плацебо (NCT03300050), демонстрирующее безопасность и эффективность химерной вакцины, которая индуцирует производство антител к более консервативному стеблю гемагглютинина. Химерный белок состоит из стеблей гемагглютинина вируса гриппа группы 1 или группы 2, а также головы гемагглютинина вируса птичьего гриппа. Испытание проводилось на здоровых гражданах США возрастом18–39 лет. Вакцина была безопасной и вызывала сильный и длительный функциональный иммунный ответ к консервативному стеблю гемагглютинина.

Антибиотики

8. Ученые разработали и синтезировали антимикробные соединения, которые могут преодолевать множественную резистентность к антибиотикам. Соединения похожи на антимикробные пептиды и работают как антибиотики широкого спектра. Их основная цепь состоит из катионного полиимидазолия (PIM). Самое активное вещество PIM1 связывается с бактериальной клеточной мембраной гидрофобно и электростатически, проникает в клетку и убивает ее. Для проникновения необходимо, чтобы мембрана обладала электрическим потенциалом. PIM1 успешно уничтожал бактерии Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa in vitro. PIM1 вылечил мышь, зараженную P. aeruginosa, резистентной к карбапенемам. PIM1 хорошо переносился при наружном применении, но был токсичен для мышей при внутрибрюшинном введении. Менее гидрофобный вариант, PIM1D, не показал токсичности, но обладал схожей антимикробной активностью и был успешно применен против сепсиса у мышей.

Терапия

9. При остеопорозе нарушается равновесие между разрушением и формированием костной ткани. Связывание белка Semaphorin4D с рецептором PlexinB1 ингибирует дифференцировку остеобластов. Ученые из Японии разработали циклический пептид PB1m6A9 с остеогенной активностью, который можно использовать для лечения остеопороза. Этот пептид блокирует взаимодействие PlexinB1 и Semaphorin4D в остеобластах. Он был получен методом RaPID (Random nonstandard Peptides Integrated Discovery). Димеризованный PB1d6A9 ингибировал PlexinB1 в культуре первичных остеобластов мыши, усиливая формирование костной ткани. Тот же результат был показан in vivo, при внутривенном введении PB1d6A9-Pal, связанного с липидами, мышам после овариэктомии. Потеря костной ткани таких мышей была полностью восполнена.

10. Ученые из Израиля и США провели фазу 1 клинических испытаний трансплантации фекальной микробиоты для улучшения работы анти-PD-1 иммунотерапии против меланомы. До этого многообещающие результаты были показаны на мышах. Материал для трансплантации взяли от двух пациентов с метастазирующей меланомой, которые получали анти-PD-1 монотерапию и достигли полного ответа на протяжении года. Реципиентами были 10 пациентов с метастазирующей меланомой, у которых развилась резистентность к анти-PD-1 терапии. Семеро были мужчинами, средний возраст составлял 66 лет. Собственная микрофлора реципиентов была уничтожена антибиотиками. В результате трансплантации фекальной микробиоты и возобновления анти-PD-1 терапии (ниволумаб) у двух из десяти пациентов опухоли уменьшились в размере, а у одного полностью исчезли. Все пациенты с улучшением получили трансплантат от одного и того же донора. Исследование показало безопасность такой терапии, однако выявить конкретные виды микроорганизмов, которые помогли преодолеть резистентность к иммунотерапии, не удалось.

Эпигенетическое регулирование

11. Гистоновый белок H1 — самый распространенный среди хроматин-связывающих белков, но его функции in vivo остаются слабо изученными. В новой работе ученые из США создали мышиную модель, в которой при определенных условиях можно выключить три гена H1: H1c, H1d и H1e (мышей назвали H1cTKO). Конститутивное отключение этих генов приводит к эмбриональной летальности. Их отключение в гемопоэтических клетках привело к заметному уменьшению числа белых кровяных телец, B-клеток, а также CD4+ и CD8+ T-клеток. Ядра в клетках мышей H1cTKO были увеличены, а процентное содержание гетерохроматина уменьшено. Таким образом, ученые показали, что локальная плотность H1 контролирует баланс эу- и гетерохроматина. Также они обнаружили, что присутствие H1 поддерживает метитлирование H3K27me3 и ингибирует H3K36me2. Отключение генов H1 приводит к общему повышению уровня экспрессии генов. Это означает, что H1 — критически важный эпигенетический регулятором.

Вирус Зика

12. Исследователи из США изучали последствия долговременного нахождения вируса Зика в мозге мыши. Иммунокомпетентных мышей C57BL/6 заражали вирусом Зика через один день после рождения и наблюдали за неврологическими и поведенческими последствиями. Через 10–15 дней после инфекции наблюдались нетвердая походка, тремор, тяжелая атаксия и припадки. Через неделю симптомы исчезли, и большинство мышей выжило. Тем не менее, несмотря на кажущее выздоровление, даже через год в нервной системе мыши детектировали вирус Зика и воспаление, в частности, постоянный уровень мРНК провоспалительных генов (Cd80, Il-1α, Ifn-γ, Cd3, Cd8 и PrfA). У выздоровевших мышей был значительно уменьшен объем мозжечка и повышен уровень жидкости в центральной нервной системе, они демонстрировали изменения в моторных функциях, снижение координации, беспокойство, гиперактивность, импульсивное и рискованное поведение. На основании этих наблюдений авторы статьи рекомендуют долговременное наблюдение и антивирусное лечение пациентов, подвергшихся заражению вирусом Зика в раннем возрасте.

Доставка лечебных молекул

13. Группа ученых из США разработала новую систему для таргетной доставки белковых молекул на основе красных кровяных телец. В мембрану клетки был встроен белок мелитин, компонент пчелиного яда. В норме мелитин вызывает гемолиз, но этот белок был модифицирован так, что его активация происходила только при облучении светом такой длины волны, которая может проникнуть вглубь ткани (600–900 нм). В качестве доказательства принципа работы системы in vivo в модифицированные красные кровяные тельца был помещен белок тромбин, после этого они были введены мыши. Небольшой участок уха мыши был освещен светом с заданной длиной волны. В этом участке было показано свертывание крови, ассоциированное с действием тромбина. Таким образом можно доставлять не только белки и пептиды, но и нуклеиновые кислоты. Ученые показали, что красные кровяные тельца можно заменить на нано- и микротраспортеры из двухслойных липидных мембран.

Генетика

14. Исследовательская группа из США изучила активность гена SIGLEC12, кодирующий белок Siglec-XII. SIGLEC12 у человека обладает рядом уникальных черт: универсальная миссенс-мутация, которая препятствует распознаванию лиганда; наличие сдвига рамки считывания, который препятствует экспрессии белка полной длины у ~60–70% населения; наличие свидетельств в геноме, что процесс естественной селекции был более благоприятен для перехода гена в псевдоген и другие. Ученые обнаружили, что Siglec-XII экспрессируется сильнее в клетках опухоли, чем в окружающих нормальных клетках. Эктопическая экспрессия SIGLEC12 в клетках карциномы, у которых этот ген отсутствует, приводила к увеличению экспрессии генов, ассоциированных с прогрессированием рака (IDO1, LCP1, BST2 и CEACAM6). Более 80% колоректальных раков поздней стадии имели функциональный аллель SIGLEC12. Его присутствие коррелировало с повышенным риском смертности. Таким образом было показано, что развитие поздней стадии карциномы коррелирует с наличием рабочей копии гена SIGLEC12. Вероятно, это происходит потому, что Siglec-XII рекрутирует Shp2-связанные онкогенные пути. Также авторы предложили тест мочи для определения экспрессии полноразмерного Siglec-XII.

Микробиота кишечника

15. Микроорганизмы, населяющие кишечник здорового человека, не касаются стенок кишечника, чтобы не вызвать ненужную иммунную реакцию. Большая часть этих микроорганизмов анаэробные, поэтому ранее считалось, что контакту препятствует кислород, выделяемый стенками кишечника. Однако в работе под руководством группы из Калифорнийского университета в Дейвисе показано, что стенки кишечника выделяют не кислород, а перекись водорода. Перекись водорода же является результатом работы фермента NOX1. В ходе исследования было показано, как патоген Citrobacter rodentium утилизирует перекись для дыхания, используя цитохром С пероксидазу. Для этого бактерии нужен тесный контакт со стенками кишечника.