Партнер дайджеста — Университет «Сириус»

Университет «Сириус» — это качественно новый подход к образованию и научно-исследовательской деятельности. В нем нет привычных факультетов и кафедр, ядро университета составляют Научные центры по приоритетным для России направлениям, которые возглавляют ученые с мировым именем.

Физиология в норме и патологии

Пластичность клеток как одна из сторон болезни

Механизм регенерации печени различается в зависимости от типа повреждения. Пролиферация клеток имеет место при острой, но не хронической патологии. На животных моделях заболеваний печени обнаружены три альтернативных механизма регенерации гепатоцитов — эпителиальных клеток печени. Однако о природе этих процессов в печени человека известно мало, что решили исправить исследователи из Британии, Германии и Греции.

Чтобы оценить глубокие изменения в строении печени, ученые объединили секвенирование РНК единичных ядер с 3D-визуализацией образцов тканей, взятых у пациентов с различными стадиями метаболически ассоциированной жировой болезни печени (metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease, MASLD), более известной как неалкогольная жировая болезнь печени по старой номенклатуре. Восстановление числа гепатоцитов происходило не за счет активности стволовых клеток, а благодаря превращению (трансдифференцировке) холангиоцитов, выстилающих желчные протоки печени. Интенсивность этого процесса нарастала по мере развития заболевания, а пик приходился на терминальную стадию болезни. Ученые предположили, что трансдифференцировка не столько служила целям регенерации, сколько была частью патологии. Образующиеся клетки сочетали паттерны экспрессии генов холангио- и гепатоцитов и отличались от гибридных клеток-предшественниц в здоровых тканях. Важная роль в пластичности холангиоцитов принадлежала пути PI3K—AKT—mTOR, через который передаются сигналы инсулина.

Авторы работы заключили, что понимание молекулярных сигналов, контролирующих трансдифференцировку холангиоцитов, может облегчить разработку эффективной и безопасной терапии хронических заболеваний печени. — Acquisition of epithelial plasticity in human chronic liver disease, «Биомолекула»: «„Резервный“ механизм восстановления печени».

Нейробиология и психиатрия

Черные вороны способны «считать» вслух

Черные вороны Corvus corone не раз поражали исследователей высокими интеллектуальными способностями. Очередная возможность приятно удивиться выпала немецким ученым, которые решили проверить, могут ли птицы считать вслух. На самом деле, это непростая задача, поскольку для ее выполнения животное должно контролировать издаваемые звуки.

Авторы работы обучили трех ворон, выращенных при лаборатории, каркать 1–4 раза в зависимости от зрительного (цифра на экране) или звукового сигнала. Например, в ответ на барабанную дробь надо было произнести «Кар» три раза. О выполнении задания птицы сообщали, ударив клювом по клавише на экране. Если пернатый участник справлялся с задачей, то получал вкусное угощение. Несмотря на некоторое число ошибок, вороны верно выполняли задания. Интересно, что птицы брали паузу перед вокализацией, причем ее длительность была наибольшей перед тем, как птице предстояло издать максимальное в рамках задачи число «Кар». По мнению исследователей, подобная остановка связана с необходимостью обдумать задание и мысленно спланировать число вокализаций.

Авторы работы считают, что способности черных ворон, ввиду схожести с навыками счета у людей, могли быть «эволюционным предшественником» истинного счета. — Crows “count” the number of self-generated vocalizations.

Генетические последовательности ретровирусов в геноме человека — не к добру

Эндогенные ретровирусы (endogenous retroviruses, ERV) представляют полноценную или, чаще всего, фрагментарную ДНК ретровирусов в составе генома невирусного организма. На их долю приходится 5–8% (по некоторым оценкам — около 1%) генома человека, и, согласно исследованию британских и американских ученых, этого количества достаточно, чтобы повлиять на развитие психических заболеваний.

Авторы работы изучили почти 800 посмертных образцов тканей мозга людей с психическими расстройствами. Исследователи проанализировали транскриптом тканей коры головного мозга и оценили его связь с наиболее распространенными заболеваниями, включая шизофрению, биполярное и большое депрессивное расстройство, расстройство аутистического спектра (РАС), СДВГ. Первоначально выявили 26 сигнатур экспрессии ERV, которые повышали риск психических расстройств у людей европейского происхождения. Благодаря более детальному анализу, количество ERV, чья экспрессия была наиболее значимо связана с заболеваниями, сократили до четырех: два увеличивали вероятность шизофрении, один — риск как шизофрении, так и биполярного расстройства, и еще один — большого депрессивного расстройства. При этом, для РАС и СДВГ не обнаружили ассоциации с экспрессией эндогенных ретровирусов.

Исследователи заключили, что полученные ими, а также результаты более ранних работ подтверждают необходимость изучения экспрессии ERV в нервной ткани при различных психических расстройствах. — Integrating human endogenous retroviruses into transcriptome-wide association studies highlights novel risk factors for major psychiatric conditions, «Биомолекула»: «Вирусные геномы в системе эволюции».

PsychENCODE: молекулярный ключ от Вселенной под названием «Мозг человека»

Ярким событием уходящей недели стала публикация результатов консорциума PsychENCODE, работа которого стартовала в 2015 году, в журналах Science, Science Translational Medicine и Science Advances. Исследователи изучили посмертные образцы головного мозга людей разных возрастов, включая пациентов с психиатрическими заболеваниями, на уровне единичных клеток и ядер при помощи омиксных технологий. Полученные результаты раскрыли молекулярные основы развития и функции человеческого мозга в онтогенезе в норме и при патологии.

Ниже представлен краткий пересказ трех статей, опубликованных в Science и посвященных молекулярной «кухне» распространенных психических заболеваний.

PsychENCODE: расстройства, связанные со стрессом

Исследователи описали молекулярные изменения в мозге пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР) и большим депрессивным расстройством (БДР), в сравнении с нейротипичными людьми. Для этого проанализировали данные о транскриптоме и эпигеноме центрального ядра амигдалы, медиальной префронтальной коры и зубчатой извилины гиппокампа, а также протеома плазмы крови 231 человека.

ПТСР и БДР были ассоциированы с существенным сдвигом экспрессии генов в медиальной префронтальной коре, а также паттернов метилирования в зубчатой извилине гиппокампа у людей с ПТСР и центральном ядре амигдалы — с БДР. Измененные сигнатуры относились к сигнальным путям иммунитета, метаболизма, функции митохондрий, синаптической регуляции и гормонов стресса. Кроме того, эти показатели варьировали не только на уровне крупных областей мозга, но и между клетками разных типов. В плазме крови удалось выявить белки, поступающие из мозга, которые достоверно коррелировали с заболеванием и могли быть использованы как биомаркеры заболеваний. По мнению авторов, полученные результаты раскрывают не только молекулярные пути, через которые стресс способствует заболеваниям, но и потенциальные мишени для лечения. — Systems biology dissection of PTSD and MDD across brain regions, cell types, and blood, «Биомолекула»: «Как толщина миелина и эпигенетика помогают устойчивости к стрессу», «Страх и ненависть в миндалине: как возникает агрессия?».

PsychENCODE: расстройства аутистического спектра (РАС)

Ученые оценили данные РНК- и АТАС-секвенирования на уровне единичных ядер для посмертных образцов мозга людей с РАС и без заболевания (контроль). Тщательный подход к анализу позволил авторам выявить даже тонкие различия между двумя группами участников.

Состояние глиальных клеток в мозге пациентов с РАС отличалось незначительно, в частности, исследователи обнаружили характерный для заболевания рост активности микроглии и астроцитов, которые отсутствовали у контрольных участников. В то же время, при РАС изменилась экспрессия почти 3,5 тысяч генов. Сети, ответственные за подобные изменения, включали реактивные клетки микроглии, астроциты и экспрессирующие соматостатин интернейроны в составе коры, а также нейроны, чьи проекции проходят внутри и между полушариями. Причем в последних существенно подавлены гены, связанные с работой синапса, и активны гены провоспалительных путей. Авторы работы считают, что понимание архитектуры нервных контуров, формирующихся при РАС, облегчит разработку терапии заболевания. — Molecular cascades and cell type–specific signatures in ASD revealed by single-cell genomics, «Биомолекула»: «Расстройство аутистического спектра: „дети дождя“».

PsychENCODE: шизофрения

На основе результатов секвенирования РНК единичных ядер, выделенных из посмертных образцов 140 людей с шизофренией и без, исследователи составили транскриптомный атлас префронтальной коры.

Смещенные паттерны экспрессии почти 2,5 тысяч генов при шизофрении способствовали снижению генной активности в возбуждающих нейронах коры, что согласуется с результатами более ранних исследований по этой теме. Гены, чья активность существенно различалась в тканях пациентов с заболеванием и без, были вовлечены в молекулярные пути, связанные с развитием нервной системы и синапсами. Авторы предположили существование «регуляторного ядра», состоящего из совместно экспрессируемых факторов транскрипции, для генетических вариантов, повышающих риск шизофрении и задержки развития. Кроме того, масштабы изменений в транскрипции коры различались среди пациентов с заболеванием, в частности, эту неоднородность определяли гены, связанные с функцией синапсов и одноуглеродным метаболизмом (one-carbon metabolism). По мнению ученых, это указывает на возможность выделения молекулярных профилей шизофрении по отдельным группам генов. — Single-cell multi-cohort dissection of the schizophrenia transcriptome, «Биомолекула»: «Шизофрения и гены: поиск иголки в стоге сена».

Антропогенез

Кормление детей — вклад в будущее своего вида

Исследователи из Германии, Британии и США обследовали зубы неандертальцев (423 зуба от 74 людей) и людей современного типа (444 зуба от 102 людей) на наличие следов стресса — горизонтальных бороздок. Такие участки тонкой эмали могли появляться из-за инфекционных и других недугов, недоедания, дефицита питательных веществ и травм.

Как показал анализ, представители обоих видов Homo испытывали стресс в одинаковой мере, но в разном возрасте. У предков современного человека, живших в период верхнего палеолита, дефекты эмали чаще появлялись в возрасте отлучения от груди (1–3 года), в то время как у неандертальцев первые признаки патологии зубов встречались до отлучения от груди (около года), но достигали максимума к 2–4 годам, когда ребенок переходил к самостоятельному питанию.

По предположению авторов, стресс, испытываемый детьми, мог быть связан с недостатком питательных веществ, в которых нуждался растущий юный организм. Вероятно, сапиенсы могли компенсировать дефицит энергии за счет продолжительной зависимости от родителей и предоставления детям доступа к пище взрослых, в отличие от неандертальцев. Согласно мнению ученых, это могло дать людям современного типа преимущество в долгосрочной перспективе и способствовать выживанию Homo sapiens. — Differences in childhood stress between Neanderthals and early modern humans as reflected by dental enamel growth disruptions.

Еда

Эра идеального шоколада приближается

«Вкусная» новость из страны прекрасных альпийских лугов и не менее прекрасного шоколада! Исследователи из Швейцарии совместно с производителями предложили технологию создания шоколада, вкус которого сочетается с пользой для здоровья.

Основная идея заключалась в том, чтобы использовать мякоть и внутреннюю поверхность кожуры плода какао, от которых обычно избавляются после выделения семян (какао-бобов). Разработчики измельчили внутреннюю часть кожуры, богатую пектиновыми волокнами, смешали со сладким концентратом из мякоти плода и получили желеобразный гель, который успешно заменил сахар: около 20% какао-геля равнозначны 5–10% сахарной пудры. По вкусовым качествам новая версия десерта не уступала классическому темному шоколаду, но оказалась более полезной для здоровья за счет повышенного содержания клетчатки и сниженного содержания насыщенных жирных кислот. Кроме того, производство шоколада по предложенной технологии более экологично и экономически выгодно.

Однако исследователи заметили, что чудо-шоколад не скоро появится в продаже, так как для производства в промышленных масштабах нужно подготовить оборудование для сушки кожуры и запасти порошок на основе ее внутренней части для получения геля. Увы, в каждой бочке с медом (в данном случае, с шоколадом) найдется ложка дегтя. — Valorization of cocoa pod side streams improves nutritional and sustainability aspects of chocolate.

Клеточная биология

Лишние хромосомы вроде бы есть, а вроде бы нет

Изменение числа хромосом (анеуплоидия), в частности, появление дополнительных, нарушает генетический баланс клеток за счет изменения числа копий (дозы) генов, что по-разному влияет на судьбу клеток и организма в целом. Например, у человека появление лишних хромосом в 13, 18 и 21 парах связано с синдромами Патау, Эдвардса и Дауна, соответственно. У раковых клеток такое состояние может обеспечивать устойчивость к лекарствам. Среди дрожжей Saccharomyces cerevisiae анеуплоидия — частое явление: одна пятая часть этих одноклеточных грибов является обладателями лишних хромосом, что, впрочем, не нарушает их жизнедеятельности. Международный коллектив, возглавляемый немецкими учеными, выяснил, как дрожжам это удается.

Исследователи сравнили активность генов и содержание продуктов их экспрессии — белков — в штаммах S. cerevisiae, анеуплоидия которых имела разное происхождение: природные образцы, которые приобрели аномальное число хромосом естественным образом, и лабораторные, у которых анеуплоидия была индуцирована исследователями. Протеомы штаммов существенно различались между собой: по содержанию белков, кодируемых лишними хромосомами, естественные, но не лабораторные, анеуплоиды соответствовали дрожжам с нормальным набором хромосом, что указывало на наличие компенсирующего механизма. Действительно, природные образцы, в отличие от выращенных в лаборатории, оставались анеуплоидными длительно и потому могли адаптироваться к этому состоянию. Их секрет заключался в более активной системе протеасом, которая обеспечивает разрушение белков. Получается, белковый обмен диких штаммов в целом шел более интенсивно: генетическая информация лишних хромосом также считывалась, клетки продуцировали белки, а потом избавлялись от них. Авторы работы не исключили, что у дрожжей мог быть другой компенсирующий механизм в обход чрезмерного разрушения.

Авторы работы выразили надежду, что полученные результаты будут полезны в борьбе с устойчивыми к препаратам опухолями и грибковыми инфекциями. — Natural proteome diversity links aneuploidy tolerance to protein turnover, «Биомолекула»: «Как анеуплоидия раковых клеток снижает эффективность химиотерапии и что с этим делать?», «Неинвазивная диагностика анеуплоидий у плода: от идеи к продукту».