На текущей неделе на страницах Nature и Science ученые раскрыли широкий круг тайн: каким было здоровье Людвига ван Бетховена и что могло на него повлиять, чем занимаются митохондрии в опухолях легкого, откуда берется боль в кишечнике и как растения продуцируют адъюванты для вакцин от малярии и COVID-19. Также исследователи разобрались в причинах угнетения популяции тихоокеанских косаток, узнали о снижении иммунного ответа при длительном употреблении искусственных подсластителей и нашли следы вулканической активности на Венере. Приятного чтения!
Геномика
Почему тихоокеанская популяция косаток сокращается, несмотря на природоохранные меры
Китайские и американские ученые были обеспокоены состоянием популяции резидентных, питающихся рыбой, косаток у берегов Северной Америки. Мероприятия по охране этих млекопитающих позволили увеличить численность тихоокеанских групп, за исключением данной популяции. Исследователи предположили, что проблема кроется в инбредной депрессии, то есть низкой жизнеспособности особей ввиду близкородственных скрещиваний (инбридинга).
Чтобы проверить гипотезу, ученые собрали записи о рождении и гибели косаток за последние 50 лет и соотнесли их с полногеномными данными 100 косаток, живущих ранее и сейчас, а также косаток из других участков северной части Тихого океана. Оказалось, что в угнетенной популяции инбридинг происходит чаще, чем в других популяциях. Уровень инбридинга отразился на продолжительности жизни и ежегодной выживаемости косаток в этой группе. В случае сохранения инбредной депрессии численность популяции продолжит сокращаться, согласно прогнозам разработанной учеными модели.
По мнению авторов работы, восстановление популяции находится под угрозой из-за нарушения притока генов от косаток из других групп, возможно, ввиду различий в поведении животных. Также сохраняют свое значение внешние факторы, связанные с деятельностью человека. — Inbreeding depression explains killer whale population dynamics.
Секреты генома Людвига ван Бетховена
Исследователи с разных уголков света объединились, чтобы расшифровать геном немецкого композитора и пролить свет на причины его проблем со здоровьем, в частности, потери слуха. ДНК для анализа извлекли из его волос, полученных от частных коллекционеров.
При помощи молекулярно-генетических методов ученые оценили вероятность, что полученные образцы волос действительно принадлежали Бетховену. Пять волос из восьми содержали мужской набор половых хромосом и идентичные по строению митохондриальные и ядерные ДНК. Геном был схож с таковым у людей, проживающих в регионе Северной Рейн-Вестфалии, что совпадает с местом рождения композитора. Исследователи не обнаружили генетических факторов глухоты, что, возможно, было связано с ограничениями выбранных методов. Зато они выявили генетические аллели, связанные с высоким риском цирроза печени, например, в генах Pnpla3 и Hfe, а также ДНК вируса гепатита В. Вместе с этим удалось установить иное происхождение некоторых образцов волос, ранее приписываемых Бетховену. Оказалось, что они принадлежали женщине. Следовательно, следы употребления опиатов и попадания в организм ртути не имеют отношения к Бетховену.
Наконец, анализ волос и архивных данных позволил авторам работы обнаружить несоответствие между юридической и биологической генеалогией Людвига ван Бетховена и отклонить притязания пяти бельгийцев, заявивших об общем с композитором предке. — Beethoven’s cause of death revealed from locks of hair, «Биомолекула»: «Сколько у нас генов?».
Генетика адаптаций
Три генетических кита белоснежного окраса зайцев
С наступлением зимы и появлением снежного покрова многие млекопитающие изменяют окраску шерсти на белую. Однако глобальное изменение климата сбивает животным карты и приводит к сокращению снежного покрова, из-за чего смена окраса может утрачивать адаптивное значение.
Ученые из Америки и Португалии задались вопросом, можно ли спрогнозировать уязвимость животных перед климатическими изменениями, зная генетику цвета шерсти. Ответ искали в популяциях белохвостого зайца (Lepus townsendii). Сезонная смена окраса варьировала у зайцев из разных популяций и зависела от масштабов снежного покрова на территории, заселенной животными. На генетическом уровне различия определялись аллелями трех генов: Ednrb, Corin и Asip, сочетания которых варьировали между заячьими группами. На основе собранных данных исследователи разработали модель, которая показала, что генетические варианты могут обеспечить быструю адаптацию к уменьшению снежного покрова и развитие темной шерсти у этого вида.
Авторы заключили, что генетическая основа адаптации к изменению климата может способствовать сохранению вида и природы в целом. — The evolution of white-tailed jackrabbit camouflage in response to past and future seasonal climates.
Нейробиология поведения
Эмоциональное заражение, опосредованное окситоцином, характерно не только для млекопитающих
Эмоциональное заражение — распространение страха или иного эмоционального состояния между особями — встречается не только у млекопитающих. Например, такую форму эмпатии (сочувствия) наблюдали у рыб.
Коллектив ученых из Португалии, Израиля и Италии заинтересовался, одинакова ли молекулярная основа эмоционального заражения у разных животных. Для этого оценили роль окситоцина, который регулирует эмпатию у млекопитающих, в распространении страха между рыбками данио рерио. Используя животных с мутантными рецепторами к окситоцину, исследователи продемонстрировали необходимость окситоцина для формирования эмпатичного поведения у данио: наблюдающие рыбки воспроизводили поведение рыбок-демонстраторов. Ученые обнаружили, что распространение эмоционального настроя у рыб и у млекопитающих связано с одинаковыми областями мозга, в частности, со стриатумом и прозрачной перегородкой.
Сходство в механизмах эмоционального реагирования посредством окситоцина у рыб и млекопитающих указывают на его эволюционно древнее происхождение. — Evolutionarily conserved role of oxytocin in social fear contagion in zebrafish, «Биомолекула»: «Сама неоднозначность: гормон окситоцин».
Иммунология
Заменитель сахара сукралоза снижает Т-клеточный ответ
Потребление искусственных подсластителей, которыми заменяют сахарозу в продуктах, значительно возросло за последнее время. Считают, что в целом подсластители безопасны для организма, однако были высказаны опасения по поводу длительного употребления этих веществ.
Британские и немецкие ученые проследили за состоянием мышей, которые получали воду с добавлением сукралозы. Поступление больших количеств подсластителя оказало иммуномодулирующий эффект на организм грызунов: пролиферация и дифференцировка их Т-клеток были снижены, как и передача сигналов к Т-клеточным рецепторам, а также снижалась внутриклеточная мобилизация кальция. Добавление в рацион сукралозы ослабило специфичные к антигену реакции CD8+ Т-лимфоцитов у мышей, выступающих в качестве модели рака кожи, бактериальных инфекций, а также опосредованного Т-клетками аутоиммунного заболевания.
Авторы работы заключили, что высокое потребление сукралозы может ослаблять Т-клеточный иммунный ответ. Подобный эффект подсластителя может быть полезным в терапии аутоиммунных расстройств, связанных с Т-лимфоцитами. — The dietary sweetener sucralose is a negative modulator of T cell-mediated responses, «Биомолекула»: «Сахар — сладкая смерть».
Онкология
Энергетика опухолей при раке легкого зависит от митохондриальных сетей
Митохондрии как энергетические станции важны для регуляции метаболизма и энергетического баланса, в том числе в раковых клетках. Матрикс митохондрий окружен двумя мембранами, которые обеспечивают участие органоида в дыхании. Также известно, что митохондрии образуют сети внутри клеток.
Американские и британские исследователи представили результаты анализа митохондриальных сетей и энергетических характеристик атипичных клеток в мышиной модели немелкоклеточного рака легкого (НМРЛ). При помощи методов позитронно-эмиссионной томографии, респирометрии и сканирующей электронной микроскопии ученые обнаружили зависимость обменных процессов от строения митохондриальных сетей в клетках опухолей. Митохондрии образовывали внутриклеточные агрегации (компартменты). Причем в новообразованиях с высокой интенсивностью окислительного фосфорилирования (процесса, при помощи которого в митохондриях синтезируется энергетическая молекула АТФ) и окисления жирных кислот митохондрии контактировали с липидными каплями и окружали их. Напротив, в низкоэнергетических опухолях положение митохондрий рядом с ядром, строение внутренней мембраны и дыхательная функция зависели от молекул глюкозы.
Таким образом, при НМРЛ митохондриальные сети формируют отдельные группы, которые управляют энергетическими состояниям опухолей. — Spatial mapping of mitochondrial networks and bioenergetics in lung cancer, «Биомолекула»: «Тайная жизнь митохондрий».
Перспективный ген-супрессор опухоли, препятствующий метастазированию при раке поджелудочной железы
Протоковая аденокарцинома поджелудочной железы характеризуется активным метастазированием и, как следствие, высокой летальностью. При этом, не было выявлено ни одной специфической мутации, которая могла быть связана с распространением метастаз.
Ученые из Израиля, США и Канады секвенировали РНК в образцах 395 пациентов с протоковой аденокарциномой и изучили особенности сплайсинга РНК в опухолях, которые могли бы объяснить прогрессирование рака. Внимание экспериментаторов привлек мотив Rbfox2. Сверхэкспрессия его в клеточной линии, полученной из опухолевых тканей пациента с аденокарциномой, резко снижала метастатический потенциал клеток в экспериментах in vitro и при трансплантации в организм мышей. Низкая активность Rbfox2, напротив, стимулировала метастазирование. Анализ сплайсинга транскриптов генов-мишеней Rbfox2 выявил обогащение генов сигнальных путей RHO ГТФаз. В свою очередь, это натолкнуло экспериментаторов на мысль, что активность Rbfox2 влияла на строение цитоскелета и способность раковых клеток формировать очаги посредством адгезии (соединения с другими клетками).
Авторы отметили роль гена Rbfox2 в прекащении развития злокачественных опухолей в случае протоковой аденокарциномы поджелудочной железы и предложили связанный с ним терапевтический подход для борьбы с метастазами. — RBFOX2 modulates a metastatic signature of alternative splicing in pancreatic cancer, «Биомолекула»: «Расследования в поджелудочной: чем питаются раковые клетки», «„Иммунный след“ в нейроэндокринном раке поджелудочной железы».
Диагностика заболеваний
Кровь расскажет о состоянии пациентов с ожирением
Классическим методом для диагностики лишнего веса выступает расчет индекса массы тела (ИМТ). Его вычисляют как отношение веса (кг) к величине роста в квадрате (м2). Однако этот показатель не позволяет выделить среди людей с ожирением метаболически нездоровых и здоровых, но злоупотребляющих едой.
Американские ученые проанализировали метаболом (766 продуктов обмена) и протеом (274 белка) плазмы, полученной из более чем тысячи образцов крови людей с разным весом, а также оценили состояние крови по стандартным клиническим и лабораторным показателям (71 тест). При помощи машинного обучения исследователи прогнозировали ИМТ, а также накопление висцерального жира у испытуемых на основе мультиомного профилирования их крови. Такой подход оказался точнее, чем клинические показатели пола, возраста, триглицеридов, ЛПНП и ЛПВП, глюкозы и др. Кроме того, ученые проверили, существует ли связь между особенностями метаболома, протеома крови и составом кишечного микробиома. Оказалось, мультиомный анализ точнее отображал разнообразие кишечных микроорганизмов, чем классический ИМТ. В то же время, по составу микробиома можно было предсказать состояние крови.
Авторы работы отметили, что мультиомное профилирование крови представляет комплексную оценку здоровья пациента. Она позволяет оценить метаболический статус человека с ожирением и выстроить траекторию его выздоровления. — Multiomic signatures of body mass index identify heterogeneous health phenotypes and responses to a lifestyle intervention, «Биомолекула»: «Нутригеномика: питание vs. заболевания», «В ооцитах мышей с ожирением нарушается работа митохондрий».
Физиология человека и животных
Боль в кишечнике объясняется активацией серотонинэргических клеток в составе его слизистой оболочки
Большое количество болезней кишечника сопровождаются неприятными ощущениями, которые пополняют копилку хронической висцеральной (имеющей отношение к внутренним органам) боли. В частности, у пациентов с синдромом раздраженного кишечника, которыми в три раза чаще становятся женщины, болевые ощущения в пищеварительном тракте сохраняются после устранения повреждений в тканях.
Американские и австралийские ученые решили сфокусироваться на энтерохромаффинных клетках (enterochromaffin cells, ЕС) кишечника — возбудимых клетках эпителия, секретирующих серотонин и другие пептиды. Известно, что EC передают сигнал на ближайшие нервные окончания в слизистой оболочке органа. Однако их участие в возникновении висцеральной боли не было изучено. В новой работе исследователи подготовили трансгенных мышей, ЕС которых экспрессировали «дизайнерские» рецепторы (DREADD), активируемые специально разработанным для них лигандом. Усиливая или подавляя таким образом функцию клеток у грызунов, экспериментаторы наблюдали повышение и снижение чувствительности животных к растяжению кишечника. Кроме того, ЕС модулировали ощущение боли при воспалении кишечника, вызванного изовалериановой кислотой бактериального происхождения. Чрезмерная активация ЕС сопровождалась ростом тревожности у мышей, которая снижалась после блокады серотонинергической передачи сигналов. Также ученые отметили половые различия в активности контура EC и клеток слизистой оболочки кишечника у мышей.
Авторы пишут, что полученные результаты подтвердили роль сигналов, поступающих от клеток ЕС, в развитии острой и хронической боли в пищеварительном тракте. — Gut enterochromaffin cells drive visceral pain and anxiety, «Биомолекула»: «Серотониновые сети», «Тайная жизнь серотониновых рецепторов».