Защита глубоководных рыб от давления и другие новости недели

Молекулярные механизмы

1. Глубоководные морские организмы живут в условиях постоянного высокого давления. Это требует защитных адаптаций, которые позволили бы белкам сохранять стабильность. Повышение давления до 4 килобар приводит к смещению термодинамического равновесия и увеличивает долю молекул воды, занимающих внутренние полости гидрофобного кора белков. Это негативно сказывается на стабильности белковых молекул и приводит к нарушению их структуры. Ключевым фактором, защищающим клетки глубоководных рыб от воздействия высокого давления, является триметиламин N-оксид (ТМАО). Молекулы TMAO на поверхности биомолекул гидратируются в первую очередь, и структура белка не страдает. Используя методы спектроскопии в комбинации с молекулярной динамикой, британские ученые показали, что ТМАО формирует с окружающими молекулами воды прочные водородные связи за счет дипольного момента нитрозогруппы. Благодаря этому вода в присутствии ТМАО имеет более упорядоченную структуру, а ее вращательная динамика оказывается существенно замедлена в сравнении с чистой водой. Таким образом, связанная с ТМАО вода оказывается менее чувствительной к структурным перестройкам, вызванным давлением. При этом защитный эффект ТМАО против воздействия высокого давления проявляется при соотношении концентрации ТМАО (моль/кг) к давлению окружающей среды (килобар) в диапазоне 1 : 1,3 ± 0,3. Полученные значения согласуются с данными о концентрации ТМАО в мышечной ткани костистых рыб, обитающих на различных глубинах.

2. Распространенным и неизбежным последствием клеточного метаболизма является окислительное повреждение генетического материала клеток. Оно происходит из-за генерации активных форм кислорода (АФК). В частности, такой процесс имеет место при активации транскрипции на генетических регуляторных элементах, таких как промоторы и энхансеры. АФК продуцируются при окислительном деметилировании гистонов и 5-метилцитозина в CpG-островках. Они окисляют гуанин (из канонических ДНК-оснований окислению чаще всего подвергается именно он), что приводит к образованию существенной доли 7,8-дигидро-8-оксогуанинов (8-oxoG) в составе богатых гуанином промоторов. Команда из Великобритании показала, что защитой от окислительного повреждения промоторов может служить белок митотического аппарата NuMA. Этот белок активно связывается с хроматином, подвергшимся окислительному повреждению, и привлекает, в частности, компонент системы репарации TDP1. Описанный процесс имеет место в том числе и в «мусорной» ДНK. Согласно новым данным, такая ДНК гораздо более восприимчива к окислительным повреждениям, чем считалось до сих пор. Более того, воздействие окислительного стресса на некодирующую ДНК нейронов может быть фактором развития неврологических заболеваний, в том числе нейродегенеративных. Также существуют данные о том, что локализация и экспрессия NuMA нарушаются при некоторых формах онкологических заболеваний. Это приводит к генетической нестабильности и способствует развитию опухолей.

Нейросети

3. На этой неделе в Scientific Reports вышла статья, посвященная новым подходам к созданию нейросетей, основанных на применении концепции «ненадежных нейронов». Концепция базируется на принципах функционирования нейронов в головном мозге: их способность к реакции на стимул зависит от предыдущей активности. Этот вариант пластичности нейронов отличается от используемых в настоящее время принципов машинного обучения, которые основаны, в частности, на стохастическом отсеве: в ходе обучения нейросети случайные узлы исключаются из процесса. Авторы новой работы провели ряд опытов in vitro на культурах нейронов, исследуя их ответ на повторяющуюся стимуляцию дендритов. Характер ответа зависел от частоты стимуляции. Если этот показатель превышал критическое значение, ответ нейрона превращался в последовательность из чередующихся периодов активности и «молчания». Такой образ реакции нейронов лег в основу создания идентификационной нейросети, обрабатывающей последовательности с заданным порядком и таймингом. Авторы использовали нейросеть с прямой связью, т. е. такую, в которой соединения между узлами не формируют цикл, а сами узлы подвергаются временному выключению после их активации. Чтобы проверить функциональность такой нейросети, ее применили для идентификации последовательностей рукописных цифр. Их распознавание основывается на индивидуальных особенностях ввода данных, таких как почерк и скорость написания цифр. Разработанная система потенциально может использоваться для криптографической защиты данных — ключом будут служить вводимые от руки числа, однако авторы работы отмечают, что обеспечиваемый таким образом уровня безопасности требует более детального изучения.

Терапия

4. В NEJM опубликованы результаты клинических испытаний, подтвердивших эффективность бионической поджелудочной железы при диабете первого типа. Основное преимущество такой терапии по сравнению с традиционными методами введения инсулина — отсутствие необходимости сложной предварительной настройки и подсчета количества углеводов в каждом приеме пищи. Первичная настройка бионической поджелудочной железы осуществляется только по массе тела, в дальнейшем пациент указывает лишь оценку количества потребленных углеводов: как обычно, больше или меньше обычного. Исследование длилось 13 недель. В нем приняли участие 326 пациентов (взрослых и детей старше шести лет), принимавших инсулин не менее года. В группе с бионической железой (219 пациентов) уровень гликированного гемоглобина был в среднем на 0,5% ниже, чем в контрольной группе (107 пациентов). Также было снижено среднее время повышенного уровня глюкозы. Частота гипогликемии была крайне низкой и в контрольной, и в опытной группах, так что определить, снижает ли бионическая железа вероятность гипогликемии, не представляется возможным. Частота гипергликемии была несколько выше в опытной группе, что исследователи связывают с неисправностями инфузионного набора, однако случаев кетоацидоза не наблюдалось, а периоды гипергликемии были в среднем короче, чем в контрольной группе.

5. Т-клетки, модифицированные химерными антигенными рецепторами (CAR-T), первоначально были разработаны для терапии онкологических заболеваний. Альтернативным применением CAR-T клеток может быть терапия инвазивного аспергиллеза легких. Это заболевание вызывает плесневый грибок Aspergillus fumigatus; оно тяжело протекает у пациентов с нарушением функций иммунной системы. Использование собственных иммунных клеток пациента, распознающих антигены A. fumigatus, затруднено из-за их крайне малого количества у пациентов с инвазивным заболеванием. Решением этой проблемы могут быть специфичные к A. fumigatus CAR-T клетки (Af-CAR-T). Авторы статьи, опубликованной в Science Translational Medicine, получили химерные антигенные рецепторы, нацеленные на компонент клеточной стенки гиф грибка. В экспериментах in vitro и in vivo Af-CAR-T клетки распознавали различные штаммы и клинические изоляты A. fumigatus и давали противогрибковый эффект. В частности, CD8⁺ Af-CAR-T выделяли перфорин и гранзим В в ответ на контакт с целевым антигеном, а также, наряду с CD4⁺ Af-CAR T, способствовали активации макрофагов для дальнейшей борьбы с патогеном. Мышиная модель подтвердила локализацию CD8⁺ Af-CAR T клеток в очаге инфекции и их функциональность, приводящую к активации иммунитета и уменьшению очага поражения в легких.

Нейронауки

6. Элиминация определенной доли нейронов — важная часть ранних этапов формирования головного мозга. Свежие исследования показали, что существенную роль в этом процессе играют предшественники олигодендроцитов. Эти клетки дают начало миелинизирующим олигодендроцитам, участвуют в презентации антигенов, формировании глиальных рубцов после повреждения спинного мозга, ангиогенезе и ремоделировании аксонов. Опубликованная в Nature Neuroscience работа посвящена анализу взаимодействий между глией и таламокортикальными пресинапсами первичной зрительной коры мышей. Прижизненная визуализация клеток мозга с помощью экспрессии цветных светящихся белков и последующей двухфотонной микроскопии показала, что предшественники олигодендроцитов в составе глии достаточно активно взаимодействуют с пресинапсами как в развивающемся мозге, так и в зрелом, обеспечивая во втором случае зависящую от зрения пластичность зрительной коры. Пространственная реорганизация участков поглощения пресинапсов предшественниками олигодендроцитов, которая происходит в ответ на сенсорную стимуляцию, подтверждает предположения о том, что соответствующая активность предшественников олигодендроцитов во многом завязана на столкновение с новым опытом (в случае данного эксперимента — с появлением светового стимула в жизни молодых мышей, до этого выращиваемых в темноте). Дальнейшие исследования ремоделирования синапсов при участии предшественников олигодендроцитов могут пролить свет на механизмы, лежащие в основе развития ряда заболеваний, ассоциированных с сохранением «избыточных» синапсов в мозге. К таковым относятся шизофрения и РАС.

7. Исследование, опубликованное в Alzheimer's & Dementia, рассматривает болезнь Альцгеймера как аутоиммунное заболевание. Согласно предлагаемой модели, β-амилоид выделяется в ответ на повреждения или патогены в качестве цитокина раннего ответа, проявляя иммуномодулирующие и противомикробные свойства. В то же время электрофизиологическое сходство между трансмембранным градиентом потенциала и анионными зарядами внешней мембраны, объединяющее клетки бактерий и нейроны, могут приводить к ошибочному нацеливанию иммунной системы на собственные нейроны организма. Нарушение целостности клеток ведет к дальнейшему высвобождению β-амилоида и формированию самоподдерживающегося цикла. Таким образом, новая модель рассматривает β-амилоид в качестве ключевого драйвера заболевания, но отвергает так называемую «амилоидную гипотезу». Вместо этого она предполагает, что олигомеризация β-амилоида является частью физиологической нормы в рамках его функционирования в качестве цитокин-подобного компонента иммунной системы. Изучение молекулярных механизмов такой модели указывает на связь модуляции аутоиммунных реакций с метаболизмом L-аргинина и L-триптофана. Это позволяет авторам рассуждать о потенциальном применении препаратов, воздействующих на метаболизм этих аминокислот, для терапии болезни Альцгеймера.

8. Как показано в статье, вышедшей в Science Advances, один из механизмов нейродегенерации — активация в нейронах, обогащенных двухцепочечными разрывами ДНК, иммунного ответа, характерного для противовирусного ответа и ответа на старение. На мышиной индуцибельной модели нейродегенерации CK-p25 при помощи сортировки ядер и последующей одноядерной РНК-транскриптомики ученые показали, что накопление двухцепочечных разрывов ДНК в нейронах предшествует другим симптомам, характерным для нейродегенерации. При этом сначала активируются гены репарации, а позднее — иммунный ответ и гены старения, что приводит к потере клеточной идентичности. Результаты подтверждены на нейрональной культуре мыши и на мертвом человеческом мозге. Также ученые выяснили, что ответ на двухцепочечные разрывы сильнее всего выражен в активирующих и тормозящих нейронах человека. В модели CK-p25 двухцепочечные разрывы вызывают активацию воспалительной микроглии. Показано также, что иммунный ответ запускается фактором NFκB. Ингибирование и нокдаун фактора приводят к снижению активации воспалительной микроглии. Таким образом, роль двухцепочечных разрывов ДНК в нейродегенеративных процессах может быть большей, чем считалось ранее.

Онкология

9. Нарушение циркадных ритмов рассматривается в качестве фактора, потенциально увеличивающего риск развития рака. Результаты опубликованного в Science Advances исследования, проведенного на мышиной модели немелкоклеточного рака легкого, поддерживают эту точку зрения. Так, у мышей с хроническим нарушением режима опухоли развивались более активно по сравнению с контрольной группой. Нарушения циркадных ритмов влияют на экспрессию генов в печени и легких. Размеры опухолей в указанных условиях превышало соответствующий показатель для контрольной группы — разница в объёмах опухолей составила 68%. С одной стороны, полученные данные согласуются с моделью, описывающей нарушение циркадных ритмов как причину изменений паттернов экспрессии генов во времени. С другой стороны, нельзя исключать вероятность того, что нарушение нормальных ритмов экспрессии отдельных генов вызвано «рассинхронизацией» животных, затрудняющей отнесение состояний отдельных животных к конкретной циркадной фазе.

Секвенирование РНК показало, что основную роль в исследуемом процессе играют белки семейства HSF1, отвечающие за корректное сворачивание белков в условиях теплового. Ученые выдвинули предположение, что нарушение суточных ритмов температуры тела, вызванное изменениями циклов сна, воздействует на сигнальный путь HSF1 и тем самым повышает вероятность образования опухолей. Помимо этого, в результатах исследования прослеживаются тенденции к половому диморфизму: рассинхронизация ключевых генетических компонентов циркадных часов различалась у самцов и самок мышей, что подтверждает некоторые предыдущие данные о связи физиологии циркадных ритмов с полом.

10. Рак молочной железы (РМЖ) детектируют с помощью маммографии, при необходимости подтверждая диагноз тканевой биопсией. В качестве альтернативного метода авторы недавно опубликованной статьи предлагают платформу для скрининга, основанную на жидкостной биопсии. Детектция РМЖ на различных стадиях проводится путем анализа образцов периферической крови. Ключевым инструментом в разработанной системе служит мультиомная система HDSCA3.0, позволяющая отслеживать и характеризовать циркулирующие клетки различного происхождения наряду с крупными внеклеточными везикулами. Чувствительность платформы составляет 1 из 6 млн клеток. Тестирование платформы провели на 155 образцов крови от 130 пациенток, из которых 74 (56,9%) имели раннюю стадию РМЖ без метастазов, 26 (20%) — позднюю метастатическую стадию и 30 (23,1%) не имели онкозаболеваний. Опираясь на экспрессию пяти биомаркеров, авторы работы смогли различить раннюю и позднюю стадии РМЖ и здоровых доноров по количеству циркулирующих в крови опухолевых клеток и опухоль-ассоциированных крупных внеклеточных везикул. Полученные клеточные профили позволили с высокой точностью классифицировать пациенток по стадии РМЖ как вручную, так и с применением алгоритма машинного обучения.

Геномика

11. Расстройства аутистического спектра (РАС) и синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) — это высоконаследуемые полигенные расстройства психического развития. Исследование генетических вариантов, по которым можно было бы объединять или дифференцировать эти два состояния, выявило ряд общих для СДВГ и РАС локусов. Так, полногеномный поиск ассоциаций обнаружил 263 SNP в семи локусах, ассоциированных с обоими расстройствами. В целом результаты исследования подтвердили предыдущие данные, дополнив их также двумя ранее не идентифицированными локусами, общими для РАС и СДВГ. Новые ассоциации расположены в плейотропном мультигенном локусе на хромосоме 1 (rs7538463) и на хромосоме 4 (rs227293) в гене, кодирующем β-маннозидазу (мутации в этом гене ассоциированы с целым рядом фенотипических проявлений на неврологическом уровне). Кроме того, было обнаружено пять локусов, значимо различающихся у пациентов с СДВГ и РАС, четыре из которых ранее не обнаруживались. Работа позволила не только охарактеризовать локусы, связанные с расстройствами, но и определить гены, потенциально обуславливающие их развитие.

12. Полногеномное секвенирование диких мышей и лабораторных инбредных линий выявило следы положительного отбора генов, экспрессируемых в нервной системе, в связи с одомашниванием. Анализ нуклеотидного разнообразия наряду с индексом фиксации (Fst) и кросс-популяционным комбинированным тестом отношения правдоподобия (cross-population composite likelihood ratio test, XP-CLR) выявил 339 положительно отобранных генов, ассоциированных с функционированием нервной системы, причем около трети из них активно экспрессируются в тканях мозга, в частности, в гиппокампе и лобных долях коры больших полушарий. С помощью мутантных мышиных моделей ученые показали, что приручаемость мышей может зависеть от вариантов гена Astn2. SNP rs27900929 (T>C) в данном гене значимо снижало степень приручаемости животных.

Иммунология

13. В большинстве случаев стресс рассматривается как негативный фактор, приводящий к нарушениям здоровья. Так, ранее было показано, что стресс ухудшает течение воспалительных заболеваний кишечника. В то же время с более выраженным воспалением ассоциируют расположенные в кишечнике третичные лимфоидные органы (ТЛО). Исследования, проведенные на мышиной модели болезни Крона, показали, что хронический стресс приводит к стимуляции иммунной системы, защищающей от дальнейшего развития воспалительной реакции в кишечнике.

Мышей подвергали стрессу иммобилизации, помещая животных в вентилируемые пробирки на три часа в сутки в течение 56 дней. Несмотря на усиление роста кишечных ТЛО у подвергнутых хроническому стрессу мышей, более активного развития воспаления у таких животных не наблюдалось. Напротив, стресс приводил к повышению выработки интерлейкинов IL-22 и IL-23 — участников сигнального пути, отвечающего за появление ТЛО. Важно отметить, что IL-22 может иметь как про-, так и противовоспалительную функцию. Он участвует в заживлении ран и регенерации тканей. Более подробные исследования, проведенные на дефицитных по рецептору к IL-23 модельных животных, продемонстрировали рост уровня IL-23, но не IL-22 и развития ТЛО в ответ на стресс. Введение дополнительного IL-22 в рамках такой системы приводило к активации роста ТЛО. Также было показано, что изучаемый механизм активации иммунной системы защищает модельных животных от вторичных повреждений кишечника при воспалительных заболеваниях. Например, индукция острого колита при помощи декстран-сульфата натрия существенно меньше вреда наносила мышам, подвергнутым стрессу, по сравнению с контрольными. На это указывают результаты эндоскопии и данные гистологических исследований, а также профили CD8⁺/CD4⁺ Т-клеток. Полученные результаты позволяют предположить защитную роль хронического стресса при воспалительных заболеваниях кишечника.