Генетика

Мужское развитие малярийного паразита

Механизмы, определяющие пол или типы спаривания, чрезвычайно разнообразны у эукариот, но хорошо охарактеризованы лишь у нескольких модельных организмов. У малярийных паразитов половое размножение совпадает с заражением хозяина-переносчика. Определение пола не является генетическим, при этом каждый гаплоидный паразит способен продуцировать мужские или женские гаметоциты в человеке-хозяине. Иерархия событий и молекулярных механизмов, запускающих детерминацию пола и поддержание сексуальной идентичности, еще предстоит выяснить. Ученые из Франции и Великобритании обнаружили, что ген мужского развития 1 (male development 1, md1) одновременно необходим и достаточен для определения мужской судьбы у малярийного плазмодия Plasmodium falciparum. Белок Md1 имеет двойную функцию, происходящую от двух отдельных доменов. N-конец Md1 участвует в детерминации пола, а консервативный C-концевой домен LOTUS/OST-HTH этого белка участвует в развитии самцов. Исследователи идентифицировали бистабильный переключатель в локусе md1, который связан с детерминацией пола и гарантирует, что ген, определяющий мужской пол, не экспрессируется в женской линии. Выделение Md1 как потенциальной мишени для блокировки передачи малярии способен потенциально помочь в борьбе с этим опасным заболеванием. — A transcriptional switch controls sex determination in Plasmodium falciparum, «Биомолекула»: «Малярия. 15 фактов о болотной лихорадке».

Разработка лекарств

Бифункциональные молекулы и клеточная мембрана

Одновременная оптимизация биохимической активности и проницаемости мембран остается одной из самых больших проблем при разработке лекарств. Для типичных лекарственных мишеней, таких как ферменты и рецепторы, поиск конфигурации атомов, которая позволит связаться с мишенью с высокой аффинностью, может быть относительно легко достигнут с использованием молекул, подобных лекарственным средствам, которые обычно меньше 600 Да. Внутри клетки содержится много терапевтически привлекательных мишеней. Для молекул, которые достаточно велики, чтобы эффективно взаимодействовать со сложными интерфейсами белков, преодоление клеточной мембраны может быть невозможным. Ученые из США определили механизм, с помощью которого большие битопические молекулы с молекулярной массой до 1784 Да могут получить доступ к цитоплазме. Работа исследователей может стать руководством для разработки новых препаратов. — Getting bifunctional molecules into cells, «Биомолекула»: «Поиск лекарственных мишеней».

Системная биология

ДНК, РНК и белки бактерий

Концентрация белка определяется сложным взаимодействием между специфическими для генов регуляторными процессами и системными факторами, включая объем клеток и общие механизмы экспрессии генов. Выяснение этого взаимодействия имеет решающее значение для выявления и разработки систем регуляции генов. Исследователи из США с европейскими коллегами количественно охарактеризовали геноспецифические и системные факторы, которые влияют на транскрипцию и трансляцию генома Escherichia coli в разных условиях. Ученые выявили два принципа, которые делают регуляцию экспрессии генов изолированной: активность РНК-полимеразы точно настроена, чтобы соответствовать выходу трансляции, а характеристики трансляции сходны для большинства матричных РНК. Следовательно, у бактерий концентрация белка задается преимущественно на уровне промотора. Простая математическая формула связывает активность промотора и концентрацию белка в разных условиях роста, что позволяет сделать количественный вывод о регуляции генов на основе данных омики. — Principles of gene regulation quantitatively connect DNA to RNA and proteins in bacteria, «Биомолекула»: «„Омики“ — эпоха большой биологии».

Микробиология

Туберкулез и антибиотикоустойчивость

Широкое использование антибиотиков поставило бактериальные патогены под сильное давление, чтобы выработать новые механизмы выживания. Геномный анализ 51 229 клинических изолятов Mycobacterium tuberculosis (Mtb) идентифицировал основной регулятор транскрипции Rv1830 (resR) в качестве частой мишени положительного отбора. Мутанты resR не проявляют канонической лекарственной устойчивости к лекарствам, но вместо этого сокращают постантибиотический эффект, а это означает, что они позволяют Mtb возобновить рост после воздействия лекарства значительно быстрее, чем штаммы дикого типа. ResR действует в каскаде с другими факторами транскрипции, контролирующими рост и деление клеток, которые также подвергаются положительной селекции в клинических изолятах Mtb. Мутации этих генов связаны с неэффективностью лечения и приобретением канонической лекарственной устойчивости. — Tuberculosis treatment failure associated with evolution of antibiotic resilience, «Биомолекула»: «Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней».

Иммунология

Противоопухолевый иммунный ответ и раковые клетки

Иммунный надзор за раковыми клетками представляет собой механизм подавления опухоли, который может защищать хозяина от развития рака на протяжении всей его жизни. Тем не менее, неизвестно, меняется ли его эффективность в течение одного дня. Швейцарские ученые продемонстрировали, что начальное время приживления опухоли определяет последующий размер опухоли в моделях рака мышей. Используя иммунодефицитных мышей и животных, у которых отсутствуют специфические для линии циркадные функции, исследователи показали, что дендритные клетки и CD8⁺ Т-клетки проявляют циркадные противоопухолевые функции, которые контролируют объем меланомы. В частности, они обнаружили, что ритмичный перенос дендритных клеток в лимфатический узел, дренирующий опухоль, регулирует циркадный ответ опухолевых антиген-специфических CD8⁺ T-клеток, который зависит от циркадной экспрессии костимулирующей молекулы CD80. Следовательно, иммунотерапия рака более эффективна, когда синхронизирована с функциями дендритных клеток. Полученные данные демонстрируют, что циркадные ритмы компонентов противоопухолевого иммунитета не только имеют решающее значение для контроля размера опухоли, но также могут быть использованы в терапевтических целях. — Dendritic cells direct circadian anti-tumor immune responses, «Биомолекула»: «Дендритные клетки: профессиональные разведчики в „Опухолевой войне“».

Клеточная биология

Сайленсинг РНК и контроль качества эндоплазматического ретикулума

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) координирует трансляцию мРНК и процессинг секретируемых и эндомембранных белков. ЭР-ассоциированная деградация (ЭРАД) предотвращает накопление белков с неправильной укладкой в ЭР, но физиологическая регуляция этого процесса еще плохо изучена. Ученые из Германии провели генетический скрининг с использованием модельного субстрата ЭРАД у нематоды Caenorhabditis elegans и идентифицировали путь противовирусной РНК-интерференции, называемый ЭР-ассоциированным РНК-сайленсингом (ЭРАС), который действует вместе с ЭРАД для сохранения гомеостаза и функции ЭР. Индуцированный стрессом ЭР, ЭРАС опосредуется белком Argonaute RDE-1/AGO2, сохраняется у млекопитающих и способствует обороту РНК, ассоциированному с ЭР. ЭРАС и ЭРАД дополняют друг друга, поскольку одновременная инактивация обоих путей контроля качества приводит к усилению стресса ЭР, снижению контроля качества белка и нарушению целостности кишечника. В совокупности результаты исследования показывают, что гомеостаз ЭР и здоровье организма защищены синергетическими функциями ЭРАС и ЭРАД. — ER-associated RNA silencing promotes ER quality control.

Нейробиология

Мезолимбическая дофаминовая система

Научиться предсказывать вознаграждение на основе сигналов окружающей среды необходимо для выживания. Считается, что животные учатся предсказывать вознаграждение, обновляя предсказания всякий раз, когда результат отклоняется от ожиданий. Такие ошибки предсказания (reward prediction errors, RPE) вознаграждения сигнализируются мезолимбической дофаминовой системой — ключевым регулятором обучения. Однако вместо того, чтобы изучать перспективные прогнозы на основе RPE, животные могут делать прогнозы, изучая ретроспективную причину вознаграждения. Поэтому остается непонятным, передает ли мезолимбический дофамин ассоциативный сигнал, который иногда напоминает RPE. Американские исследователи разработали алгоритм ретроспективного причинного обучения и обнаружили, что мезолимбическое высвобождение дофамина передает причинно-следственные связи, но не RPE. Это, тем самым, подвергает сомнению господствующую теорию обучения за вознаграждение. Результаты меняют концептуальную и биологическую основу ассоциативного обучения. — Mesolimbic dopamine release conveys causal associations.

Эволюция

Древнейшая ДНК и мастодонты Гренландии

Северо-восточная часть Гренландии — уединенное, бесплодное место, где обитают зайцы и овцебыки, а также небольшое число растений. Датские ученые с коллегами из других стран обнаружили в вечной мерзлоте последовательности ДНК (environmental DNA, eDNA) возрастом 2 миллиона лет. Такая ДНК собирается из различных образцов окружающей среды, таких как почва, морская вода, снег или воздух, а не непосредственно из отдельного организма. Найденные последовательности eDNA позволяют предположить, что этот регион когда-то был домом для мастодонтов, северных оленей, грызунов, гусей, которые бродили по лесной экосистеме. Были обнаружены и следы морских видов, включая мечехвоста и зеленых водорослей, что позволяет предположить, что в те время климат в этой области был более теплый. Выживание такой древней eDNA, вероятно, связано с ее связыванием с минеральными поверхностями. Результаты работы ученых открывают новые области генетических исследований, демонстрируя, что можно отслеживать экологию и эволюцию биологических сообществ двухмиллионной давности, используя древнюю eDNA. — A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA.

Агрокультура

Сельскохозяйственный отбор

Посетитель Среднего Запада США будет немедленно поражен огромными масштабами промышленно выращиваемой кукурузы и сои. Эти поля — интенсивно управляемые искусственные экосистемы, начиная от сроков посадки и сбора урожая и заканчивая постоянно применяемыми удобрениями и пестицидами. Эволюционные биологи уже давно предполагали, что на сорняки действует сильный естественный отбор, приспосабливающий их к этой антропогенной экосистеме, которая впервые появилась во время «зеленой революции» в сельском хозяйстве середины 20-го века. Исследователи из США сообщают, что селекционное давление на сорняки на современных сельскохозяйственных полях выше, чем в большинстве других природных систем. Авторы используют исторические образцы, чтобы временно связать адаптацию сорняка водяной конопли Amaranthus tuberculatus с «зеленой революцией». — Rapid weed adaptation and range expansion in response to agriculture over the past two centuries.

Экология

Пластик как поглотитель углерода

На пластик приходится 4,5% глобальных выбросов парниковых газов. Без реализации новой политики спрос на пластик удвоится к 2050 году и утроится к 2100 году. Нидерландские ученые проанализировали три альтернативных пути сокращения выбросов углекислого газа при производстве пластика. Исследователи выяснили, что за счет биологического связывания углерода в пластмассовых изделиях сочетание использования биомассы и захоронения отходов может привести к отрицательным выбросам в долгосрочной перспективе. Однако это предполагает постоянную зависимость от первичного сырья. Экономика замкнутого цикла, основанная на возобновлении ресурсов, позволяет снизить потребление ресурсов на 30% и обеспечить сокращение выбросов на 10% до 2050 года, одновременно снижая потенциал отрицательных выбросов в долгосрочной перспективе. Биоэкономика замкнутого цикла, сочетающая переработку с более высоким использованием биомассы, может в конечном итоге превратить сектор производства пластика в чистый поглотитель углерода. В то же время, мы можем постепенно отказываться от захоронения отходов и сокращать потребление ресурсов. — Plastic futures and their CO₂ emissions, «Биомолекула»: «Ванильные мечты о пластике».